カウボーイ人形のウッディは、ご主人様のアンディの一番のお気に入り。しかし、時は流れ、アンディが大学に進学するため家を出る日が近づいていた。そんなある日、ウッディたちは何かの手違いで“サニーサイド”と呼ばれる保育園に寄付されてしまう。「もう一度、子供たちと遊べる！」と大喜びのバズやジェシーらおもちゃの仲間たち。ウッディは「アンディを信じて家に帰ろう」と彼らを説得するが、誰も聞く耳を持たず…。
アンディの家を目指し、ただ一人保育園から脱出したウッディ。そのとき、保育園に残った仲間たちに大きな危機が迫っていた。たくさんの子供たちと遊べる“天国”と思われた保育園――だがそこは、おもちゃを破壊しまくる乱暴な幼児が集まる、おもちゃにとっての“地獄”だった！
仲間たちを救うために、ウッディはサニーサイドへ戻る決意をする。しかし、たとえ彼が仲間を救えたとしても、彼らにはもう“帰る場所”がないのだ…。果たして、そんな彼らを待ち受けていた、予想もできない“運命”とは…？