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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，伍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……

兔八哥这么多年来风头不减人见人爱，这叫达菲鸭嫉妒异常，一气之下，决定走人。作为主管的凯特自然不会任由达菲鸭这样的下属如此我行我素，便叫闲置的龙套替身德雷克监视这家伙的一举一动。德雷克一直在公司郁郁不得志，与伟大的父亲达米安比起来，自己简直微不足道。达米安曾经是一个享誉全球的超级明星，现实世界里，达米安也是一个国际间谍。不过却在一次行动中失手，被绰号为领袖的犯罪集团头子擒获。

自从上集牛仔伍迪救回巴斯光年之后，他一直和其他玩具一起快乐的生活在小主人家。一次，小主人参加夏令营，伍迪因为旧而没被带去。留在家的伍迪被一个玩具收藏家发现了，认为他是近代最具代表性的玩具。于是将伍迪被偷了出来放在博物馆内展览。家里的玩具都很担心伍迪，因此巴斯光年自告奋勇去寻找伍迪，但当他们发现伍迪在展览馆时， 伍迪却似乎不再愿意回去过那平凡的生活。

患边缘型人格障碍的爱丽丝（克里斯汀·韦格 饰）中彩票后，支付电视台1500万美元，制作由她主持的脱口秀，圆了成为奥普拉的梦想。

Conner4Real（安迪·萨姆伯格 饰）是一名流行巨星，但是他的新专辑简直糟糕透顶，销量惨淡，为了不让自己的职业生涯走向下坡路，他必须不惜一切代价挽回自己的声誉，或者与回归自己曾经的组合？