Bộ phim bắt đầu với một đoạn phim hành động kiểu phim miền Tây, với Woody, Jessie, và Buzz đang chống lại Hamm, ông bà Potato Head, và Slinky. Tuy nhiên, đoạn đó thật ra chỉ diễn ra trong tưởng tượng của Andy, và máy quay lùi lại để cho thấy các bộ phim gia đình của Andy, chủ nhân của các đồ chơi, khi còn là một cậu bé.

Andy nay đã 17 tuổi, không còn chơi với các món đồ chơi cũ nữa và đang chuẩn bị vào đại học. Andy quyết định đem Woody theo đến đại học và gói các món đồ chơi khác vào một túi đựng rác với ý định để giữ trên gác nhà, nhưng mẹ cậu đã nhầm lấy túi đem ra ngoài để bỏ rác. Các đồ chơi tưởng rằng Andy không còn muốn họ nữa, cho nên họ đã lẩn trốn vào một hộp đựng đồ chơi sắp được đem đến nhà giữ trẻ Sunnyside. Woody là đồ chơi duy nhất đã chứng kiến việc đã xảy ra, cố gắng làm sáng tỏ việc hiểu lầm này, nhưng các đồ chơi khác không tin anh và tất cả đều được đem đến Sunnyside. Các đồ chơi được đón tiếp tại Sunnyside, dưới sự lãnh đạo của một con gấu nhồi bông tên là Lotso (Lots-O'-Huggin' Bear), và họ được phân công vào "Phòng Sâu bướm". Các đồ chơi khác tại Sunnyside còn có một búp bê Ken và một búp bê em bé được gọi là Big Baby. Woody cố gắng thuyết phục các đồ chơi khác trở về với Andy, nhưng họ quyết định ở lại Sunnyside, vì thế anh rời họ để về nhà. Các đồ chơi khác sớm phát hiện được Lotso đã đưa họ vào phòng dành cho những đứa trẻ nhỏ nhất, và các đồ chơi thường bị các đứa trẻ hành hạ. Buzz tìm Lotso để yêu cầu được chuyển đến Phòng Bướm dành cho trẻ lớn hơn, nhưng đã bị bắt và xóa trí nhớ, và sau đó cứ tưởng mình là một nhà thám hiểm không gian thật.

Sau khi rời khỏi Sunnyside, Woody được một cô bé tại nhà giữ trẻ tên là Bonnie đem về nhà. Qua các đồ chơi khác của Bonnie, Woody biết được Sunnyside thật sự là một nhà tù đồ chơi do Lotso cai quản. Lotso đã bị thất lạc chủ nhân và bị chủ nhân thay thế với một con gấu khác và từ đó bỏ nhà đến Sunnyside với Big Baby làm người trợ thủ đắc lực. Lotso bắt các đồ chơi khác ở Phòng Sâu bướm để hắn và các đồng bọn khỏi phải gặp các trẻ nhỏ. Tại nhà giữ trẻ, các đồ chơi biết được Andy đang tìm kiếm họ sau khi bà Potato Head nhìn thấy Andy qua con mắt đã bị thất lạc trong phòng của Andy. Biết được sai lầm, các đồ chơi tìm cách thoát khỏi nhưng bị Lotso và đồng bọn (kể cả Buzz sau khi mất trí) bắt nhốt và cho nhiều lính canh giữ chặt chẽ hơn.

Woody trở về Sunnyside bằng túi ba lô của Bonnie, leo lên gác xếp nhờ trợ giúp từ Telephone Chatter (phá khóa, vượt bảo vệ, leo tường, tiêu diệt con Khỉ trong văn phòng, leo lên đường đổ rác để ra ngoài đường) để giúp các người bạn trốn thoát, họ cẩn thận tạo một kế hoạch trốn ra ngoài bằng đường đổ rác, tuy nhiên đã vô tình đổi Buzz vào chế độ nói tiếng Tây Ban Nha. Các đồ chơi dùng ống rác để thoát đến một thùng rác ngoài nhà giữ tre, nhưng đã bị Lotso và đồng bọn bắt được. Woody và các bạn đã thuyết phục được các trợ thủ của Lotso rằng hắn chính là kẻ ác, và họ đã đem Lotso bỏ vào thùng rác. Tuy nhiên, Lotso kéo được Woody vào thùng rác ngay khi xe đổ rác đến và mọi người phải cứu Woody, và Buzz trở lại bình thường.

Chiếc xe chở rác đem các đồ chơi đến một đống rác và bị đổ. Woody cứu Lotso và mọi người khỏi bị máy xé rác nhưng Lotso bỏ mặc họ để họ vào lò đốt rác. Các đồ chơi được cây cần trục điều khiển bởi mấy đồ chơi Alien cứu. Hamm và Slinky muốn dạy Lotso một bài học, nhưng Woody thuyết phục họ bỏ qua cho hắn. Lotso được một người đổ rác tìm được và cột Lotso vào phía trước xe đổ rác của mình.

Các đồ chơi tìm cách quay trở lại phòng của Andy. Khi đến nơi, Woody chui vào hộp đồ Andy mang theo đến đại học, các đồ chơi khác chuẩn bị lên gác mái. Woody để một tin nhắn trên tấm giấy dán trên hộp đồ chơi cho Andy, gợi ý tặng đồ chơi lại cho Bonnie. Andy nghĩ đó là tin của mẹ mình nên làm theo, chở thùng đồ chơi tới nhà Bonnie và giới thiệu cho cô bé về mỗi đồ chơi. Bonnie nhận ra Woody nằm dưới đáy hộp trong sự ngạc nhiên của Andy. Mặc dù có đôi chút lưỡng lự nhưng cuối cùng Andy cũng để Woody lại cho Bonnie và chơi cùng với cô bé trước khi rời đi. Woody và các bạn của mình có một cuộc sống mới tại nhà Bonnie.

Trong phần credit, có thể thấy ở Sunnyside, Ken và Barbie trở thành người quản lý và công bằng hơn. Các đồ chơi đều luân phiên chơi với các bé ở phòng Sâu bướm. Họ biến Sunnyside trở thành nhà giữ trẻ đúng nghĩa của nó. Họ giữ liên lạc với nhóm Woody bằng cách cho thư vào balô của Bonnie khi cô bé đến nhà trẻ.