Sinopsis
La película comienza con una secuencia de acción en la que Woody, Jessie, Bullseye y Buzz se ven en la obligación de detener los planes del malvado matrimonio Potato Head, quienes para la fecha se han aliado con el malvado Dr. Hamm y el trío de marcianos, conformando un grupo de villanos que reducen los héroes, a pesar de las diferentes habilidades de los personajes, llegando a revelarse que todo se trata de una escena creada por la imaginación de Andy mientras éste era un niño. La siguiente escena resulta estar conformada de una serie de videos con Andy divirtiéndose incondicionalmente con sus juguetes año tras año.
Once años después de los sucesos acontecidos en Toy Story 2, Andy, de diecisiete años de edad, se prepara para irse a la universidad. Ya que su dueño no había jugado con ellos desde hacía mucho tiempo, y algunos amigos de Buzz y Woody ya no están con ellos debido a accidentes, perdidas, o la venta de garaje; Woody, Buzz y el resto de los juguetes se preocupan por su incierto futuro.
Por si fuera poco, las cosas se intensifican tan pronto la señora Davis empieza a organizar una nueva donación, esta vez con destino a Sunnyside, ofreciéndole tanto a Andy como a Molly que donen unos juguetes suyos. Mientras que Molly empaca unos cuantos juguetes musicales y a su Barbie, por otra parte Andy escoge de entre todos sus juguetes a Woody para llevarlo a la universidad con él, y empaca al resto en una bolsa de basura para confinarlos en el ático.
Sin embargo, justo cuando Andy se encontraba cerca de guardar sus juguetes, el muchacho se ve en la obligación de ayudar a su hermanita menor a empacar, dejando la bolsa sola. Provocando que la sra. Davis, ignorante de esto, crea que la bolsa es basura y desecha a los juguetes, acrecentando la paranoia del grupo de juguetes los cuales toman la decisión de marcharse a la guardería tan pronto escapan de la bolsa. Woody consigue llegar con el grupo e intenta advertirles de la terrible equivocación que se produjo. Sin embargo los juguetes, convencidos de que su dueño ya no los quiere, se introducen en la caja de Sunnyside obligando al vaquero a ir con ellos hasta la guardería.
Una vez en la guardería los juguetes de Andy reciben una calurosa bienvenida por parte de los juguetes de Sunnyside, liderados por un oso de peluche llamado Lotso. La mayoría de los juguetes de Andy se sienten rápidamente a gusto con su nuevo hogar, debido a que se la pasarían jugando con generaciones y generaciones de niños, viviendo sin el temor de ser reemplazados. Woody, por su parte, no se siente cómodo y continúa insistiendo con que le pertenecen a Andy y deberían regresar a su casa. Los otros quieren quedarse, por lo que Woody debe abandonarlos y regresar solo junto a Andy. Poco después de que Woody se va, los demás juguetes descubren que los niños que Lotso les había asignado para que jugaran con ellos son muy pequeños e hiperactivos, razón por la cual al jugar con ellos los maltratan hasta un grado que paracen ser torturados.
Al ver esta delicada situación, Buzz, proclamado como el hombre de familia, decide confrontar a Lotso para una reubicación al salón mariposas, plagado de niños prácticamente “mayores”. Sin embargo, durante el progreso, Buzz se concentra en el resto de los juguetes del salón mariposa descubriendo que se tratan de unos egoístas y malvados juguetes, los cuales le desean lo peor a los juguetes de Andy y reprograman a Buzz para hacerlo creer que de nuevo es un guardián espacial, con el fin de vigilar a los juguetes debido a la fuga de Woody y a la reflexión que los juguetes han llegado al intentar regresar con Andy.
Mientras tanto, Woody no consigue ir muy lejos cuando una niña, amante de los juguetes, llamada Bonnie lo encuentra y se lo lleva con ella. Los juguetes de Bonnie le dicen a Woody que Sunnyside es en realidad una prisión de juguetes, controlada despóticamente por Lotso, quien se había vuelto malvado después de que su dueña lo había perdido por accidente y reemplazado por otro oso de peluche. Dándose cuenta de que sus amigos corren peligro, Woody decide ir a rescatarlos. De regreso en la guardería, los otros juguetes se dan cuenta de que Andy los quiere después de todo, cuando Mrs. Potato Head lo ve buscándolos a través de su ojo perdido, el cual seguía estando en la habitación de Andy. Poco después, Lotso y sus juguetes secuaces (entre los que se encuentra Buzz, manipulado por Lotso) colocan a los juguetes de Andy en canastas que para ellos son como celdas. Al día siguiente, Woody regresa a Sunnyside y se reúne con sus amigos, y todos juntos formulan un plan para escaparse de la guardería y regresar a su casa antes de que Andy se fuera a la universidad. Durante su escape, atrapan a Buzz y tratan de volverlo a la normalidad, pero accidentalmente lo configuran en una personalidad de español que no es él.
Luego de un plan muy complejo ideado por Woody, en donde se ponen en practica todas las habilidades de los juguetes, éstos consiguen llegar a una puerta para la basura, pero Lotso y sus secuaces los interceptan. Los juguetes de Andy señalan que Lotso usa a los juguetes de Sunnyside sólo porque había sido reemplazado, llevando a que sus secuaces cambien de opinión y lo arrojen en el basurero. Sin embargo, los juguetes de Andy no consiguen escapar a tiempo y un camión recolector de basura los atrapa. En el camión, a Buzz le cae encima un televisor por salvar a Jessie, y el golpe lo vuelve a la normalidad. Los juguetes son llevados a un basurero y en el momento de llegar, el trio de marcianitos verdes de Pizza Planet es arrastrado por un camión gigante. El grupo, luego de observar a sus amigos irse, cae arrastrado por otro camión a un agujero en el suelo, allí una placa móvil de metal lleva a los juguetes a una trituradora, desesperados observan que los objetos metálicos se "salvan" de la trituradora, pero llegan a una nueva placa metálica que los conduce a un incinerador. Encuentran a Lotso y lo salvan de destruirse en la trituradora, pero éste los traiciona y huye sin ayudarlos.
A pesar de sus desesperados intentos de salir del lugar, cuando están cayendo directo hacia el fuego, no pueden ya seguir luchando, los juguetes se toman de las manos rendidos, listos para ser incinerados. Sin embargo, afortunadamente, los muñecos de extraterrestres verdes manipulan una garra gigante de metal, con la que logran sacar a los juguetes del horno y colocarlos a salvo. Mientras tanto, uno de los trabajadores del basurero encuentra a Lotso y lo ata al frente de su camión, para gran descontento suyo.
Los juguetes se esconden en otro camión de basura, que los lleva de regreso a la casa de Andy. Allí, éste los encuentra; sin embargo, Woody decide que los juguetes merecen un destino mejor que ser confinados en el ático, por lo que le deja una nota a su dueño con la dirección de la casa de Bonnie. Andy empieza a regalarles sus juguetes a Bonnie, pero esta encuentra a Woody y cuando está a punto de agarrarlo, Andy se lo niega, luego de observarlo unos cuantos segundos, se lo presenta de la misma forma en como presento al resto de los juguetes, y se lo regala.
Andy juega por última vez con sus juguetes y se despide diciendo "Gracias chicos". Woody lo ve irse, no sin antes decirle a Andy "Adiós vaquero", luego entra a la casa de su nueva dueña junto a Buzz, Jessie, Bullseye, Slinky, Rex, Hamm, los marcianitos y el matrimonio Potato Head, mientras que los juguetes de Sunnyside transforman la guardería en un lugar agradable, ya libres de Lotso
