安迪逐渐长大，即将离家去上大学，他的玩具们面临被搁置或捐赠的命运。胡迪希望能继续陪伴安迪，但巴斯光年等玩具被误送到阳光幼儿园。在幼儿园里，他们起初以为找到了快乐的新家，却发现这里由暴躁的大熊控制，玩具们失去自由，还要承受孩子们的粗暴对待。胡迪独自回到幼儿园拯救伙伴，在逃跑过程中，他们历经重重困难，如躲避巨大的垃圾处理机等。最终，玩具们成功逃脱，安迪也在离开前与玩具们做了最后的告别，将它们送给了喜爱玩具的邦妮，开启了新的生活。