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...
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.
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.
Quand Andy quitte sa chambre, ses jouets se mettent à mener leur propre vie sous la houlette du cowboy Woody. Débarque alors Buzz l'éclair, intrépide aventurier de l'espace venu d'une lointaine galaxie, qui va semer la zizanie dans ce petit monde.
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.
Nemo, un jeune poisson-clown, s'égare de son récif de corail et se perd dans le vaste océan. Son père Marin part à sa recherche et affronte divers dangers pour le retrouver.
L’étrange connexion entre un chaton errant farouchement indépendant et un pitbull aux abords pas commodes. Ensemble, ils vont découvrir ce que le mot amitié avec un grand A signifie
Kidnappé par un collectionneur sans scrupules, Woody va découvrir qu'il fut jadis une vraie star. Il va alors être confronté à la décision la plus importante de sa vie : rentrer chez lui pour retrouver Andy ou rester et devenir une pièce de musée.