Andy, il proprietario di Woody, Buzz, Jessie e degli altri giocattoli, è ormai cresciuto e, all'età di 17 anni, sta per partire per il college. Ciononostante, è ancora affezionato ai suoi compagni d'infanzia e, spinto dalla madre a liberare la sua stanza, decide di conservarli. Ad eccezione di Woody, che viene messo nella scatola degli oggetti da portare al college, mette tutti i giocattoli dentro un sacco della spazzatura per riporli in soffitta. Durante il tragitto, però, è costretto a lasciare da parte il sacco per aiutare la sorella Molly, cosicché la madre di Andy pensa che i giocattoli debbano essere buttati; i giocattoli vengono quindi gettati insieme alla spazzatura. Fortunatamente, i giocattoli riescono ad uscire dal sacco prima che il camion della nettezza urbana lo prelevi e si rifugiano nella macchina della signora Davis, dove trovano lo scatolone con i vecchi giocattoli di Molly da donare all'asilo. Woody raggiunge gli amici, ma scopre che essi, credendo che Andy volesse gettarli, hanno deciso di farsi trasportare insieme al resto; il cowboy tenta di spiegare loro che Andy, in verità, aveva solo intenzione di metterli in soffitta, ma non viene creduto e così, per non abbandonare i propri amici, entra anch'egli nello scatolone destinato al Sunnyside Daycare (tale è il nome dell'asilo).
Una volta lì, i giocattoli di Andy ricevono un caloroso benvenuto da quelli dell'asilo, capeggiati dall'orsacchiotto rosa Lotso Grandi Abbracci, che mostra l'ambiente ai nuovi arrivati, presentandolo come il sogno ad occhi aperti di ogni giocattolo. Dopo l'ennesimo tentativo fallito di persuadere i suoi amici a tornare da Andy, Woody li abbandona, seppur a malincuore, decidendo di fare tutto da solo. Nel frattempo, Buzz, Jessie, Bullseye, Slinky, Rex, Hamm, i coniugi Potato e gli alieni scoprono di essere stati destinati all'"Aula Bruco", quella dei bimbi più piccoli, che maltrattano e distruggono tutto quello che capita loro a tiro. Buzz va allora a chiedere a Lotso di cambiare di classe. Lotso inizialmente acconsente, ma quando Buzz estende la richiesta agli altri giocattoli, l'orso rivela la sua vera natura e, insieme ai suoi scagnozzi, cattura Buzz e lo punisce resettandolo alle impostazioni originarie di fabbrica, facendolo quindi ridiventare un ubbidiente e fanatico ranger spaziale, e assegnandoli la missione di sorvegliare i suoi ex compagni, che vengono fatti prigionieri.
Scappato dal Sunnyside, Woody si è impigliato in un albero e viene raccolto da Bonnie, la bimba figlia della proprietaria dell'asilo, che lo porta a casa con sé. Giunto lì, Woody fa conoscenza con i giocattoli di Bonnie. Uno di questi, il clown Chuckles, rivela a Woody la verità su Lotso e il Sunnyside: l'orsacchiotto rosa, un bambolotto di nome Bimbo e Chuckles stesso erano una volta di proprietà di Daisy, una bambina che li aveva smarriti dopo essersi addormentata ad una gita in campagna. I tre erano riusciti, dopo un faticoso viaggio, a fare ritorno a casa, ma lì Lotso aveva scoperto che i genitori avevano comprato a Daisy un nuovo Lotso. L'esperienza si era rivelata uno choc per l'orsacchiotto che aveva costretto Bimbo e Chuckles ad andarsene con lui, fanaticamente convinto che la bambina non volesse più loro bene. I tre si erano così stabiliti all'asilo Sunnyside e, dopo che Bonnie aveva portato il clown a casa, Lotso aveva creato la gerarchia dei giocattoli.
Nel frattempo, all'asilo, Mrs. Potato, grazie all'occhio dimenticato a casa, guarda e scopre che Woody aveva detto la verità e che Andy li sta disperatamente cercando. Woody ritorna al Sunnyside per aiutare i suoi amici ad evadere dall'asilo e con un piano ingegnoso strappa Buzz dalle mani della gang di Lotso. Nel tentativo di far ritornare il giocattolo com'era prima, però, i giocattoli di Andy lo impostano accidentalmente nella modalità spagnola. Il gruppo mette comunque in opera un piano per fuggire dall'asilo attraverso lo scarico dei rifiuti, che però viene intercettato da Lotso e gli altri giocattoli del Sunnyside. Bimbo, convinto da Woody della malvagità di Lotso, getta l'orso nel cassonetto dei rifiuti, ma questi riesce a trascinare con sé il cowboy. Buzz e gli altri si vedono quindi costretti a seguirli nel bidone; una volta dentro il camion della nettezza urbana, lo space ranger viene schiacciato da un televisore e l'incidente gli fa recuperare le impostazioni originali, tornando ad essere il Buzz che tutti conoscevano.
Il camion dei rifiuti porta i giocattoli alla discarica, dove vengono gettati in un nastro trasportatore che li condurrà, alla fine del processo, in un enorme inceneritore. Mentre il nastro sta per finire il suo tragitto, Woody scorge il pulsante che permette di bloccare le macchine e intima a Lotso, apparentemente passato dalla loro parte, di andare a premerlo. Aiutato dagli altri giocattoli, Lotso riesce a raggiungere il pulsante, ma all'ultimo momento decide meschinamente di non premerlo e lascia cadere il gruppo dentro l'inceneritore. All'interno della fornace, i giocattoli si rassegnano al proprio destino e si stringono le mani per darsi forza nell'affrontare la propria morte. D'un tratto, un grosso gancio, manovrato dai tre alieni, figli adottivi di Mr. e Mrs. Potato, li raccoglie salvandoli dall'incenerimento. Woody e gli altri tornano a casa di Andy, mentre Lotso verrà raccolto da un addetto ai rifiuti e attaccato al radiatore del suo camion.
Dopo aver ascoltato Andy dire alla madre che lui sarà sempre al suo fianco, Woody si rende conto che lui e gli altri giocattoli sarebbero più utili altrove e scrive un messaggio suggerendo ad Andy di regalare i giocattoli a Bonnie. Il ragazzo, letto il biglietto, va da Bonnie e le mostra tutti i giocattoli, introducendoli uno ad uno finché, sul fondo dello scatolone, trova Woody e, dopo un momento di esitazione, lo regala alla bimba, passando poi l'intero pomeriggio a giocare con lei. Quando alla fine l'auto di Andy si allontana per andare al college, Woody saluta commosso il suo vecchio padrone: ora i giocattoli possono iniziare la loro nuova vita con Bonnie.
