距离上一次的冒险已经过去了11年，转眼间安迪已经长大成人，如今是一个17岁的阳光男孩。这个夏天，安迪即将开始大学生活，他必须整理自己的房间，为妹妹腾出空间。在此之前，伍迪和巴斯光年等玩具一直期待着和安迪再次一起玩耍，但随着时间的流逝，他们被遗忘在箱子里已经很久了。安迪非常珍视这些童年的玩伴，于是决定将他们收藏在阁楼。然而，意外的是，妈妈把玩具们当作废物扔到了街上。玩具们误解了安迪的意图，感到愤怒并决定离开，宁愿被捐赠到阳光之家幼儿园。伍迪努力劝解大家，但并没有取得太大的效果，只能独自黯然离开。巴斯光年他们本以为会重新回到过去的快乐时光，却陷入了一场阴谋之中……