カウボーイ人形のウッディはアンディ少年の大のお気に入り。だがそれも誕生日プレゼントでアクション人形バズ・ライトイヤーを手にするまでの事だった。NO．1の座を奪われたウッディは何とかバズをこらしめようとするが、バズはバズで自分が本物のスペース・レンジャーだと思い込んでいる有り様。そんな二人がふとしたいざこざから外の世界に飛び出してしまう。なんとか我が家へ帰還しようとする二人だが、なんとアンディの隣に住む悪ガキのシドに捕まってしまった……。

ある日、ウッディがオモチャ屋のアルにさらわれてしまう。ビンテージ品としての価値に目を付けたアルは、彼を博物館へ売りつけようと奔走。ウッディの友人であるバズたちは、彼を助けるためアルの行方を追う。

近未来の半ば朽ちかけたような港町に子供の失踪事件が続発。実は町に横行する一つ目教団が、沖合に浮かぶ奇妙な実験室に住む天才クローン人間クランク（ダニエル・エミルフォルク）に夢を見させるため、誘拐していたのだ。サーカスの怪力男ワン（ロン・パールマン）の幼い弟ダンレー（ジョゼフ・ルシアン）も誘拐される。ワンは9歳のミエット（ジュディット・ビッテ）率いる孤児の泥棒団に出会う。彼女たちは孤児院を経営するシャム双生児の姉妹の命令下にあり、ワンも腕力を買われて一味に入らされる。ミエットはワンの弟探しに同情して、二人は一つ目教団の本拠に潜入するが捕まり、処刑されることに。

真っ赤でピカピカなボディがトレードマークのレース・カー“ライトニング・マックィーン”は、レースでチャンピオンを目指す人気者。ある日ルート66号線沿いにある田舎町“ラジエイター・スプリングス”に立ち寄り、住民たちと触れ合ったことで、自分の人生には何かが失われていたことに気が付く。

ニューヨークのセントラルパーク動物園。ライオンのアレックス、シマウマのマーティ、キリンのメルマン、カバのグロリアは大の仲良し。彼らは安全で快適な動物園の贅沢な暮らしをすっかり満喫していた。しかしある日、外の世界に憧れたマーティがテロリストのペンギンたちと一緒に動物園を脱走、マーティを連れ戻そうと後を追ったアレックスたちともども捕らえられ、ひょんなことから四頭はケニア行きの船に乗せられてしまう。さらに思わぬハプニングで海に投げ出された彼らは、やがてマダガスカル島に漂着。そこで現地の動物たちに迎えられ、生まれて初めて野生の生活に触れた四頭は、次第にそれぞれ本来の習性に目覚めていくのだった。