自從十一年前玩具們所經歷的大冒險後,玩具們安然無恙的度過了好幾個年頭。轉眼間,玩具們的主人安弟已經成為一個17歲的青少年,即將離家去展開他的大學生涯。胡迪警長與巴斯光年以及其他的玩具們也都人心惶惶,深怕這個他們內心最恐懼被丟棄的一天即將來臨。
這一天,安弟的媽媽來到安弟的房間,詢問他將如何處置這些伴他渡過童年的玩具們,並且要求安弟在離家前要把這些東西處理好,如果沒有將要留下的玩具放置閣樓收藏,她就會把這些玩具處理掉。安弟在媽媽的逼迫下再次打開他的玩具箱,童年回憶湧上心頭,他根本捨不得將任何一件玩具丟掉,所以將所有的玩具都放入大黑袋子中,準備將它們放置閣樓,而最愛的胡迪則被他放進了帶到大學的箱子裡。
但正要將袋子放入閣樓的同時,安弟被妹妹呼喚去幫忙,就在陰錯陽差之下,媽媽誤以為黑袋子裡的玩具是要丟棄的,將它們與其他垃圾帶至院子,胡迪見狀趕緊喚來安弟的愛犬臭小子,可惜臭小子年紀衰老,無法再活力充沛地帶胡迪到前院去。胡迪自行設法躍下,來到了院子,垃圾車來了,收垃圾的男子將垃圾丟進了垃圾車。幸好,胡迪發現玩具們已經有驚無險地逃過了被垃圾車收走的命運,進到車庫裡安弟的車上,裝有要捐贈給陽光托兒所的玩具的紙箱內。
然而玩具們誤會安弟要遺棄他們,而對自己多年的主人感到極度地失望。儘管看見真相的胡迪也急著和他們解釋,但大家根本聽不進去。玩具們來到陽光托兒所原本以為來到了天堂,托兒所裡有非常好的規劃還有更多玩具的新朋友,且蝴蝶班的小朋友們非常愛惜玩具。托兒所裡玩具的頭領是一隻有草莓味的玩偶熊抱哥,很友善地介紹幼稚園的環境,將玩具們送到毛頭蟲班(幼兒班),玩具們興奮地期待能夠再與小主人一同玩樂,殊不知這些低齡的小朋友一抵達教室的時候才是噩夢的開始,玩具們被拉扯、被吞食、被敲打、被肢解幾乎是天天上演的戲碼。
巴斯無意間發現帶領托兒所的玩具熊抱哥原來居心不良,對於人類懷有著深切的怨怒,將新送入托兒所的玩具留給小朋友們破壞洩恨,玩具們人人自危。同時安弟發現珍藏的玩具被媽媽不小心丟棄了,正心急如焚地尋找,玩具們得知小主人安弟在尋找他們,即將一起展開史上最大規模的逃亡行動,還有更多的冒險等著他們,玩具們是否能成功逃出熊抱哥的魔掌,回到小主人安弟的身邊呢?