Dans la chambre d'Andy, les jouets se mettent à vivre leur propre vie dès que celui-ci sort de la pièce. Le jour de son anniversaire, quelques jours avant le déménagement de sa famille, c'est la panique, puisque chacun craint d'être remplacé par un jouet neuf. Woody le cow-boy est le jouet préféré du jeune garçon et n'appréhende donc pas tellement cette fête. Andy reçoit une figurine articulée d'astronaute, Buzz l'Éclair. Très vite, il s'avère que Woody a « perdu sa place » de jouet préféré, au profit de Buzz. Il essaie toutefois d'accueillir Buzz dans le groupe des jouets d'Andy, mais l'astronaute ne sait pas qu'il est un jouet. Il pense aussi qu'il peut voler, ce que Woody conteste. Après une « démonstration » devant les jouets, ceux-ci l'applaudissent, à l'exception de Woody, qui « n'appelle pas ça voler » mais qui appelle ça « tomber avec panache ».

Alors qu'Andy se prépare pour aller à Pizza Planet, sa mère lui dit qu'il ne peut prendre qu'un seul jouet. Woody essaie alors de se débarrasser de Buzz en le faisant tomber dans un coin inaccessible de la chambre, mais échoue et Buzz se retrouve projeté à travers la fenêtre. Les autres jouets commencent alors à penser que Woody, jaloux, a essayé de tuer Buzz. Quant à Andy, ne trouvant plus Buzz, il prend Woody à Pizza Planet. Buzz voit soudain Andy aller dans la voiture de sa mère avec Woody et grimpe dans le véhicule pour se venger de ce dernier. À un arrêt à une station-service, les deux jouets rivaux se battent, quittent même la voiture de la mère d'Andy, qui repart finalement sans eux.

Woody trouve un camion Pizza Planet et prévoit alors de monter dedans pour rejoindre Andy. Mais, redoutant le regard des autres jouets s'il revient seul, il demande à Buzz de venir avec lui. Arrivés à destination, les deux jouets finissent dans une machine attrape-peluche, où Sid, le voisin d'Andy destructeur de jouets, les capture.

Buzz et Woody essaient désormais de s'enfuir de la maison de Sid avant le déménagement d'Andy. Cette maison renferme de nombreux jouets inquiétants ainsi que Scud, le chien méchant de Sid. Buzz voit alors une publicité pour la gamme de jouets Buzz l'Éclair, ce qui le choque profondément. Il veut se prouver qu'il peut voler, mais n'y arrive pas et se casse un bras. Déprimé, Buzz est incapable de participer au plan d'évasion de Woody. Ce dernier essaie d'obtenir l'aide des jouets d'Andy, situés dans la maison d'en face ; mais ceux-ci lui en veulent toujours. Les jouets de Sid, eux, viennent en aide à Woody en refixant le bras de Buzz, qui se fait ensuite martyriser par Sid. Woody organise alors avec les jouets de Sid un plan de sauvetage de Buzz. Mais même après tous ces efforts, les deux jouets ne parviennent pas à rattraper la voiture de la mère d'Andy partie pour le déménagement.

Ils s'accrochent alors au camion de déménagement mais sont poursuivis par Scud. En sauvant Woody du chien, Buzz est éjecté du camion. Woody essaie de le sauver avec la voiture téléguidée d'Andy, mais les autres jouets ne lui font pas confiance et il est jeté par-dessus bord. Les jouets comprennent leur erreur lorsqu'ils aperçoivent Woody et Buzz sur la voiture téléguidée et les aident alors à les ramener sur le camion ; mais les piles de la voiture sont épuisées et les deux héros sont obligés d'allumer la fusée qu'avait fixée Sid sur le dos de Buzz pour décoller. Finalement, la voiture téléguidée rejoint les autres jouets dans le camion et Buzz et Woody rejoignent Andy dans sa voiture. La famille et tous les jouets d'Andy arrivent finalement à bon port dans la nouvelle maison. Chaque jouet est à sa place et chacun s'en trouve heureux.

Au Noël suivant, Andy reçoit une Madame Patate ainsi qu'un petit chien, ce qui ne rassure pas la tribu des jouets.