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.

Woody, Buzz, dan mainan Andy lainnya lama tidak dimainkan. Dengan Andy pergi ke kampus, mereka menemukan bahwa mereka tidak sengaja tertinggal di penitipan anak yang kejam. Para mainan harus bersatu untuk melarikan diri dan kembali ke Andy.

Selama acara bermain setelah Natal, geng tersebut menemukan diri mereka di wilayah yang belum dipetakan ketika sekumpulan figur aksi paling keren yang pernah ada ternyata sangat delusi. Semuanya tergantung pada Trixie, si triceratops, jika geng tersebut berharap untuk kembali ke kamar Bonnie dalam Toy Story That Time Forgot ini.