Dipimpin oleh Woody, mainan Andy hidup bahagia di kamarnya hingga ulang tahun Andy membawa Buzz Lightyear ke dunia hiburan. Karena takut kehilangan tempatnya di hati Andy, Woody berkomplot melawan Buzz. Namun, ketika keadaan memisahkan Buzz dan Woody dari pemiliknya, keduanya akhirnya belajar untuk mengesampingkan perbedaan mereka.

Andy berangkat ke Cowboy Camp, meninggalkan mainannya sendiri. Keadaan menjadi semakin rumit ketika seorang kolektor mainan yang obsesif bernama Al McWhiggen, pemilik Al's Toy Barn menculik Woody. Mainan-mainan Andy melakukan misi penyelamatan yang berani, Buzz Lightyear bertemu dengan lawannya dan Woody harus memutuskan di mana ia dan hatinya benar-benar berada.

Dengan datangnya zaman es, tiga makhluk prasejarah yang tidak serasi – Manny si mamut berbulu, Diego si harimau bertaring tajam, dan Sid si kungkang raksasa – menemukan bayi yatim piatu dan memutuskan untuk mengembalikannya kepada orang tua manusianya. Sepanjang perjalanan, sekutu yang tidak diduga itu menjadi teman, tetapi, ketika musuh menyerang, pencarian mereka menjadi jauh lebih mulia.

Enam bulan setelah peristiwa yang digambarkan dalam The Matrix, Neo telah terbukti menjadi pertanda baik bagi manusia bebas, karena semakin banyak manusia yang dibebaskan dari matriks dan dibawa ke Zion, satu-satunya benteng Perlawanan. Neo sendiri telah menemukan kekuatan supernya termasuk kecepatan super, kemampuan untuk melihat kode benda-benda di dalam matriks dan tingkat pra-kognisi tertentu. Namun sebuah berita buruk menghantam perlawanan manusia: 250.000 mesin penjaga sedang menggali ke Zion dan akan mencapai mereka dalam 72 jam. Saat Sion bersiap menghadapi perang pamungkas, Neo, Morpheus, dan Trinity disarankan oleh Oracle untuk menemukan Pembuat Kunci yang akan membantu mereka mencapai Sumber. Sementara itu mimpi berulang Neo yang menggambarkan kematian Trinity telah membuatnya khawatir dan seolah-olah itu belum cukup, Agen Smith entah bagaimana lolos dari penghapusan, menjadi lebih kuat dari sebelumnya dan telah menetapkan Neo sebagai target berikutnya.

Kota manusia Zion mempertahankan diri dari invasi besar-besaran mesin saat Neo berjuang untuk mengakhiri perang di front lain sekaligus melawan Agen Smith.