距上一次的冒险已经过去11个年头,转眼间安迪变成了17岁的阳光男孩。这年夏天,安迪即将开始大学生活,他必须将自己的房间收拾整齐留给妹妹。此前,胡迪与巴斯光年等玩具一直期待安迪再和他们玩耍,但是随着岁月的流逝,他们被冷落在箱子里很久了。安迪十分珍惜这些童年的玩伴,于是准备将他们收在阁楼。谁曾想,妈妈却把玩具们当作废物扔到街道上。玩具们误解了安迪,于是愤然出走,宁可被捐赠到阳光之家幼儿园。
伍迪尽力劝解大家,却收效甚微,只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为将重新回到往昔的快乐时光,不料却陷入一场阴谋之中……。黄医生小时候经历过一段凄惨的故事,父亲得病被医生误以为已去世,于是抬着父亲去火葬场,当火燃烧的时候才发现父亲并没有死,而站在一旁的母亲和黄医生束手无措,只能眼睁睁看着父亲被大火活活烧死。这件事给黄医生留下了深刻印象,以至于后来无法忘记火,生活中经常觉得身边有一团大火。多年后,他和女朋友在相处中身边发生了一些奇怪的事情……。