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Nove anni prima degli eventi del terzo film, lo Sceriffo Woody, Buzz Lightyear, Jessie, Bo Peep e Slinky cercano di salvare RC, che è rimasto fuori dalla casa di Andy durante un temporale. La missione va a buon fine, ma subito dopo Bo viene venduta a un uomo. Woody cerca di fare il possibile per non farla partire, ma Bo lo rassicura, affermando che separarsi dal proprio bambino è parte della vita di un giocattolo.

Anni dopo, Andy è ormai cresciuto e si appresta ad andare al college. Per questo motivo, decide di dare i suoi giocattoli a Bonnie prima di andarsene. Due mesi dopo, Woody, Buzz, Jessie e i loro compagni si trovano bene nella loro nuova vita insieme a Bonnie e ai suoi giocattoli; tuttavia è proprio lo stesso Woody ad essere spesso lasciato da parte, poiché Bonnie gli preferisce spesso gli altri. Durante il giorno di orientamento all'asilo, Bonnie si sente sola e non riesce a fare amicizia coi futuri nuovi compagni; con l'aiuto di Woody, intrufolatosi di nascosto nel suo zaino, crea Forky, un nuovo giocattolo fatto con una forchetta di plastica e altri pezzi di scarto. Inaspettatamente Forky prende vita come un vero giocattolo, e Woody, comprendendo quanto lui sia importante per Bonnie, cerca di farlo integrare nel gruppo. L'operazione si rivela tuttavia molto difficile, poiché gli altri amici non riconoscono Forky come un giocattolo, e lui stesso non si sente tale ma semplice spazzatura, e tenta in ogni modo di gettarsi nel bidone dei rifiuti.

Prima che Bonnie inizi la prima elementare, i suoi genitori decidono di partire per una vacanza in camper. Bonnie porta con sé tutti i giocattoli e anche Forky. Durante il viaggio però, quest'ultimo si butta giù dal veicolo e Woody corre in suo soccorso. Lo sceriffo riesce a trovare Forky e mentre cercano di tornare da Bonnie gli spiega cosa significhi essere un giocattolo, convincendolo di essere importante per la bambina. Durante il tragitto si imbattono nel negozio di antiquariato Seconda Scelta, dove Woody nota la vecchia lampada di Bo Peep. Pensando che quest'ultima si trovi nel negozio, Woody e Forky ci entrano e incontrano Gabby Gabby, una bambola che non è mai stata scelta da nessun bambino a causa del suo riproduttore vocale a cordicella difettoso. Notando che Woody ne ha uno identico e funzionante decide di sottrarglielo, ma lo sceriffo riesce a fuggire lasciando inavvertitamente Forky al negozio nelle mani di Gabby Gabby.

Fuori dal negozio, Woody incontra nuovamente Bo Peep, che ora vive al Luna Park come giocattolo smarrito. La pastorella decide di aiutarlo a salvare Forky, mentre Buzz parte anche lui per cercare Woody e Forky, finendo per essere inserito tra i premi di un tiro a segno. Buzz riesce a fuggire, ma viene inseguito da Ducky e Bunny, due peluche del tiro a segno attaccati insieme. Buzz riesce a trovare Woody, Bo e Giggle McDimples, e insieme a Ducky e Bunny riescono a introdursi nel negozio. Bo, che è a capo di un gruppo di giocattoli danneggiati o abbandonati che risiede in segreto in un flipper del negozio, chiede aiuto a Duke Caboom, un giocattolo dalle fattezze di uno stunt-man canadese. Insieme, gli amici escogitano un piano che consiste nel lanciare Duke insieme a Woody per penetrare nell'armadio dove Gabby Gabby ha rinchiuso Forky. Tuttavia il piano fallisce per colpa di Woody, troppo intestardito nella volontà di salvare Forky per prestare attenzione a tutti gli altri. Il gruppo riesce comunque a mettersi in salvo, riportando però seri danni.

Woody cerca di convincere gli altri a riprovare, ma nessuno accetta e tutti se ne vanno tranne Buzz, che tenta di convincere il suo amico a tornare da Bonnie, invano. Rimasto solo, Woody decide di salvare ugualmente Forky. Entrato nel negozio, Woody si imbatte nuovamente in Gabby Gabby, che offre una scelta, la sua cordicella in cambio di Forky. Woody acconsente, così la bambola, ora in grado di parlare, lascia libero lui e Forky. Prima di andarsene però, i due vedono che nonostante Gabby Gabby sia aggiustata, non viene accettata da Harmony, la bambina che aveva sempre sognato di conquistare. Woody le propone allora di tornare insieme a lui da Bonnie, che è sicuro la accoglierà bene; escogita così un piano e manda Forky al camper perché dica a Buzz e agli altri di sabotarlo per avere il tempo di far uscire Gabby Gabby dal negozio. All'operazione si aggiungeranno anche Bo Peep, Giggle McDimples, Ducky, Bunny e Duke, tornati a dargli una mano.

Forky riesce a tornare nel camper e i giocattoli lo sabotano, mentre Woody, Gabby Gabby e gli altri trovano una bambina che ha smarrito i genitori. La bambola decide di lasciare i suoi amici per andare insieme a lei. Il camper, guidato dai giocattoli, arriva nelle vicinanze. Woody dovrebbe dire addio a Bo un'altra volta e tornare a casa; tuttavia lo sceriffo segue il suo istinto, e comprendendo di non essere un giocattolo di Bonnie, ma quello di un bambino ormai cresciuto, decide di rimanere con Bo Peep, Giggle McDimples, Ducky, Bunny e Duke Caboom, passando il comando dei giocattoli a Buzz e Jessie.

Durate le scene nei titoli di coda, Woody, Bo e gli altri suoi nuovi amici aiutano il più possibile i giocattoli del Luna Park a trovare il proprio bambino. Nel frattempo, tornata a casa, Bonnie crea un altro giocattolo: una versione femminile di Forky.