伍迪因为手臂破损，没能跟随安迪去夏令营，独自留在家里。不料，他被贪婪的玩具收藏家艾尔盯上，并将其偷走。艾尔打算把伍迪卖给日本博物馆，因为伍迪是五十年代经典动画《胡迪牛仔秀》中的主角，极具收藏价值。在艾尔的公寓里，伍迪遇到了其他同系列玩具：女牛仔杰茜、老矿工彼得和傻马红心。他们告诉伍迪，只要他答应去博物馆，就能永远被展出和珍藏，不必担心被主人抛弃。伍迪一度动摇，但得知杰茜曾被主人遗弃的悲伤经历后，内心充满矛盾。另一边，巴斯光年带领弹簧狗、蛋头先生、恐龙雷克斯和火腿，勇敢地穿越城市，找到艾尔，并设法救出伍迪。在机场，伍迪终于明白，真正的价值不是被收藏，而是与安迪和伙伴们在一起的快乐。他帮助杰茜等人摆脱对遗弃的恐惧，一起逃出博物馆。最终，所有玩具平安回到安迪家。伍迪更加珍惜与伙伴们的友情，也学会了面对玩具可能被长大的孩子遗忘的现实，但此刻的团聚就是最幸福的时光。