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Andy, il proprietario di Woody, Buzz Lightyear, Jessie e degli altri giocattoli, è ormai cresciuto e, all'età di 17 anni, sta per partire per il college. Ciò nonostante 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 ad appoggiare il sacco per aiutare la sorella Molly: nel mentre la madre di Andy vede il sacco e lo getta nella spazzatura. I giocattoli riescono ad uscire dal sacco appena 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 all'asilo Sunnyside Daycare.

Una volta lì, i giocattoli di Andy ricevono un caloroso benvenuto da quelli dell'asilo, capeggiati dall'orsacchiotto rosa Lotso Grandi Abbracci. Dopo l'ennesimo tentativo fallito di persuadere i suoi amici a tornare da Andy, Woody li abbandona 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 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 ai suoi amici, l'orso rivela la sua vera natura: è un capo meschino e infido e, insieme ai suoi scagnozzi, cattura Buzz e lo punisce resettandolo alle impostazioni originarie di fabbrica, facendolo quindi ridiventare un ranger spaziale disciplinato e fanatico, e assegnandogli 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, Chuckles, è un clown giocattolo che 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 durante 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 già comprato a Daisy un nuovo Lotso. L'esperienza si era rivelata uno shock per l'orsacchiotto, che aveva costretto Bimbo e Chuckles ad andarsene con lui, convinto che la bambina non volesse più loro bene. I tre si erano così stabiliti all'asilo Sunnyside, in realtà un vero lager per giocattoli: chiunque tenti la fuga o infrange le dure regole imposte viene chiuso per tutta la notte in un cassone pieno di sabbia nel parco giochi.

Nel frattempo all'asilo, Mrs. Potato scopre che Woody aveva detto la verità e che Andy li sta cercando. Woody ritorna al Sunnyside per aiutare i suoi amici ad evadere dall'asilo: con un piano ingegnoso neutralizza la scimmia e strappa Buzz dalle mani di Lotso. Nel tentativo di far ritornare il giocattolo com'era prima, però, i giocattoli di Andy lo impostano per errore nella modalità in cui parla in spagnolo. Il gruppo mette comunque in opera un piano per fuggire dall'asilo attraverso lo scarico dei rifiuti, che però viene intercettato da Lotso. Woody avvia una discussione sul fatto che Daisy ha rimpiazzato solo lui, e sul fatto che se non poteva essere Lotso il suo giocattolo preferito, non potevano esserlo né Bimbo, né Chuckles. A quel punto Bimbo si rende conto della perfidia di Lotso e lo getta nel cassonetto dei rifiuti, ma quest'ultimo 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, nel tentativo di salvare Jessie, 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 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 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 fine. 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 viene 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, presentandoli uno ad uno finché, sul fondo dello scatolone, trova Woody. Dopo una iniziale esitazione lo regala alla bimba, passando poi il 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.