Sommé par sa mère de disposer de ses jouets avant d'entrer à l'université, Andy décide d'emporter avec lui son préféré, le cowboy Woody, et de ranger tous les autres au grenier. Mais par un concours de circonstances, ceux-ci sont jetés aux ordures. Se croyant trahis par Andy, ils refusent de retourner chez lui, préférant se nicher dans une boîte de dons destinée à une garderie du quartier. Mais à leur arrivée dans ce nouvel environnement, les jouets se font malmener par des marmots négligents, brusques et malpropres. De plus, ils se voient refuser l'accès à la salle des enfants plus grands par Lotso, un nounours machiavélique devenu le maître des lieux. Avec l'aide de Woody, le seul à savoir qu'Andy ne les a pas abandonnés, les jouets planifient méthodiquement leur évasion de la garderie. Mais ils doivent d'abord neutraliser le cosmonaute Buzz Lightyear qui, après avoir été déprogrammé par Latso, s'est transformé en un intraitable gardien.