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.
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...
Peu de temps après Noël, Buzz, Woody et leurs amis se retrouvent sur un territoire inexploré où ils doivent faire face à une armée de Battlesaures délirants. Leur seul espoir de retourner dans la chambre de Bonnie repose alors sur le tricératops Trixie.