Woody le cowboy, Buzz l'Eclair et les autres jouets se retrouvent confrontés à ce qui devait bien arriver un jour : le départ d'Andy pour l'université...
Au Quartier Général, le centre de contrôle situé dans la tête de la petite Riley, 11 ans, cinq Émotions sont au travail. Lorsque la famille de Riley emménage dans une grande ville, avec tout ce que cela peut avoir d’effrayant, les Émotions ont fort à faire pour guider la jeune fille durant cette difficile transition.
Charlot est ouvrier dans une immense usine. Il resserre quotidiennement des boulons. Mais les machines, le travail à la chaîne le rendent malade, il abandonne son poste et recueille une orpheline…
Carl Fredricksen, vendeur de ballons à la retraite, s’envole vers le ciel en attachant des milliers de ballons à sa maison. Un jeune garçon nommé Russell devient un passager clandestin de son voyage.
Un éminent professeur de phonétique rencontre en 1912, près de Covent Garden à Londres, une fort jolie petite marchande de fleurs. Il décide d'en faire une grande dame.
1936. L'aventurier Indiana Jones est mandaté pour mettre la main sur le médaillon de Râ, qui serait le premier pas sur le chemin de l'Arche d'Alliance, celle-là même où Moïse conserva les Dix Commandements. Une pièce dont Hitler cherche aussi à s'emparer.
Bob Paar était jadis un super-héros. Mais aujourd'hui, Mr. Indestructible est expert en assurances. Il bondit sur l'occasion lorsqu'on l'appelle pour une mission secrète. Mais derrière cette alléchante proposition se cache un génie malfaisant.
Durant la nuit, de drôles de monstres terrifient les enfants et récoltent leurs cris pour en faire leur principale source d'énergie. Mais Sulli, l'un d'entre eux, permet sans le vouloir à Bouh, une petite fille, de pénétrer dans leur monde.