Andy est en âge d'entrer à l'université et doit ranger ses affaires puisqu'il quitte la maison. Cela fait des années qu'il n'a pas touché à ses jouets, qui se trouvent dans un coffre. Andy décide d'emmener Woody à l'université avec lui, et d'entreposer les autres jouets dans le grenier. Mais suite à une méprise, Woody et ses amis se retrouvent dans une garderie dont le chef des jouets est Lotso, un vieil ours en peluche rose parfumé à la fraise. Cependant, les enfants trop jeunes maltraitent les pauvres jouets ! Il faut donc s'échapper de cette garderie qui s'avère être une vraie forteresse...

Après de nombreuses péripéties, les jouets sont de retour à la maison d'Andy qui devra faire un choix. Finalement, il décidera de les offrir à Bonnie, une petite fille de son quartier, lui laissant même à contrecoeur la "garde" de Woody : il joue une dernière fois avec eux dans le jardin de Bonnie puis entame sa route vers l'université et sa vie d'adulte.