모든 장난감들이 겪게되는 가장 슬픈 일은 바로 자신의 주인이 성장해 더 이상 자신과 놀아주지 않는 것. 우디와 버즈에게도 마침내 같은 위기가 찾아오고 만다. 언제나 우디와 버즈와 함께할 것 같았던 앤디가 대학에 진학하여 집을 떠나게 된 것.

앤디가 자신들을 버릴 거란 생각으로 불안에 떨던 장난감들은 우연한 순간 앤디 엄마의 실수로 햇빛마을 탁아소로 기증되는 신세가 된다. 탁아소에 기증된 장난감들은 그 곳에서 자신들을 반겨주는 라쏘와 새로운 장난감 친구들을 만나게 된다. 하지만 겉으로 따뜻하게 반겨주는 라쏘와 햇빛마을 탁아소 장난감들 뒤에는 상상하지 못했던 무서운 음모가 숨겨져 있었다.

앤디가 자기들을 기증한 것이 아니라는 사실을 알게 된 버즈와 장난감 친구들, 그리고 그런 친구들을 설득하러 갔다가 우연히 사건에 휘말리게 된 우디. 이제 우디와 버즈 그리고 친구들은 앤디에게 돌아가기 위한 대 모험을 결심한다.