Woody, Buzz Lightyear e os demais brinquedos regressam para uma nova aventura, na companhia de algumas caras novas, tanto de plástico como de peluche, nomeadamente o companheiro da Barbie, Ken, um ouriço-cacheiro chamado Sr. Pricklepants e um urso que cheira a morangos. Em vésperas da partida de Andy para a universidade, Woody, Buzz, Jessie e o resto dos brinquedos fiéis de Andy perguntam-se o que lhes irá acontecer. Mas quando por engano vão parar ao Centro de Dia Sunnyside, encontram uma série de novos brinquedos e rapidamente descobrem que uma nova aventura está mesmo a começar.