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...
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.
Woody a toujours privilégié la joie de ses jeunes propriétaires – Andy puis Bonnie – et de ses compagnons, n’hésitant pas à prendre tous les risques pour eux, aussi inconsidérés soient-ils. L’arrivée de Fourchette un nouveau jouet qui ne veut pas en être un met toute la petite bande en émoi.
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.
Dans cette superbe épopée musicale en stop-motion, le cinéaste primé aux Oscars Guillermo del Toro revisite le conte de la célèbre marionnette en bois qui prend vie.
Alors qu'ils s'attendaient à faire une virée sympa en voiture, Buzz, Woody et tous leurs amis vont connaître le pire en voyant leur route déviée vers un motel miteux. L'atmosphère sur place y est des plus pesantes. L'un des jouets disparaît même...
Un pauvre bonhomme de neige tente de s'échapper de la boule de cristal dans lequel il est retenu "prisonnier", pour faire la fête avec les autres bibelots de la maison...