우디와 버즈, 그리고 장난감 친구들의 주인인 앤디 데이비스는 이제 17세가 되어 대학 입학을 눈앞에 앞두고 있다. 오랫동안 장난감을 가지고 놀지 않았던 앤디는 대학에 입학하면 우디만 가지고 가기로 하고 나머지는 모두 쓰레기 봉투에 넣어서 다락방에 놓아둔다. 하지만 이것이 진짜 쓰레기 봉투인줄 안 앤디의 엄마가 이 봉투를 청소부가 가져갈 수 있도록 길거리에 가져다 놓으면서 사건은 시작된다. 자신들이 다락방에 보관되기로 되었던 것을 모르는 장난감들은 자신들이 버려졌다는 배신감에 사로잡히고, 햇빛 탁아소에 자신들을 '기증'하기로 결심한다.

우디가 이들의 오해를 풀기 위해 노력하지만 이들은 막무가내. 마침내 유아원에 도착한 이들 일행을 곰인형 '라쏘', 미남인형 '켄' 등을 포함한 유아원의 인형들이 반갑게 맞이한다. 앤디에게 돌아오기 위해 유아원을 나선 우디는 보니라는 소녀에게 발견되어 그녀의 집에 가게 되는데, 그 집에서 만난 보니의 인형 '척클스'는 우디에게 햇빛마을 탁아소에 감쳐진 위험을 알려준다. 사실 그곳은 '라쏘'가 지배하는 인형들의 감옥과도 같은 곳이었던 것. 이제 우디는 친구들을 구출하고, 다음날로 예정된 앤디의 출발 전에 집으로 되돌아가기 위한 일생일대의 대 모험을 떠나게 되는데…