Theo hợp đồng với Disney đã được sửa đổi, tất cả các nhân vật do Pixar tạo ra đều do Disney sở hữu. Thêm vào đó, Disney giữ quyền tạo phần tiếp cho bất cứ phim Pixar nào, tuy nhiên Pixar vẫn giữ quyền làm phim trước nếu muốn. Năm 2004, khi quan hệ hai công ty đang đà đổ vỡ, chủ tịch của Disney lúc đó là Michael Eisner đã bắt đầu quá trình sản xuất Câu chuyện đồ chơi 3 tại một xưởng phim mới của Disney, Circle 7 Animation. Tim Allen, người lồng tiếng trong vai Buzz Lightyear, cho biết ông sẽ bằng lòng trở lại mặc dù Pixar không tham gia.[7]

Jim Herzfeld đã viết kịch bản cho phiên bản của Circle 7. Kịch bản kể về các đồ chơi khác đã gửi Buzz đến Đài Loan để sửa chữa một khuyết điểm. Sau khi tìm kiếm trên mạng, họ khám phá ra nhiều đồ chơi khác như Buzz đã bị hỏng và công ty sản xuất đã hồi lại các đồ chơi. Sợ Buzz sẽ bị hủy, các đồ chơi khác đã đi cứu Buzz. Trong lúc này, Buzz gặp được nhiều đồ chơi khác trên thế giới nay đã bị hồi lại.[7]

Vào tháng 1 năm 2006, Pixar đã được Disney mua; hai người lãnh đạo Pixar là Edwin Catmull và John Lasseter trở thành những người lãnh đạo toàn bộ Disney Animation. Sau đó, Circle 7 Animation ngưng hoạt động và phiên bản đó bị hoãn.[7] Tháng sau đó, giám đốc Disney Robert Iger xác nhận rằng Disney đang tiến hành giao nhiệm vụ sản xuất phim cho Pixar.[8] John Lasseter, Andrew Stanton, Pete Docter, và Lee Unkrich viếng thăm căn nhà nơi mà họ đã đưa ra ý tưởng cho phim đầu và trong ba ngày cuối tuần đã tạo ra cốt truyện cho bộ phim. Stanton sau đó viết sơ thảo cho kịch bản.[9] Vào ngày 8 tháng 2 năm 2007, Catmull cho biết người đồng đạo diễn trong Câu chuyện đồ chơi 2 là Lee Unkrich, sẽ là đạo diễn duy nhất cho phim thay vì John Lasseter, và Michael Arndt làm người viết kịch.[10] Ngày khởi chiếu được dời đến năm 2010.[11]

Khi các người làm phim xem lại các tác phẩm của mình từ hai phim trước, họ khám phá rằng họ chỉ mở ra được những tập tin cũ, nhưng không thể sửa đổi các mô hình 3D và phải tái tạo mọi thứ.[12]