Вуди собирается отправиться в ковбойский лагерь, куда они ездят каждый год, вместе с Энди. Однако мальчик случайно рвет его руку и, так как не может быстро зашить ее, решает оставить Вуди дома. На следующий день мама Энди устраивает дворовую распродажу, и все игрушки прячутся, боясь, что их могут продать. Под угрозой оказывается пингвин Хрипун, однако при помощи пса Бастера героям удается вернуть Хрипуна домой, однако при этом на улице остается Вуди, которого вскоре обнаруживает Эл Маквиггин, владелец «Амбара игрушек».
Мама Энди быстро замечает Вуди и забирает его из рук коллекционера, говоря, что он не продается. Однако затем, как только мама отворачивается, Эл крадет Вуди и сбегает. Это видят остальные игрушки из комнаты Энди, так что Базз Лайтер устремляется в погоню, чтобы спасти друга. Злодею удается уехать на автомобиле, однако он оставляет после себя перо, а также Базз запоминает номерной знак его машины. Вернувшись в комнату Энди, игрушки обсуждают произошедшее, расшифровывают номерной знак и понимают, что сейчас Вуди находится в «Амбаре игрушек».
Тем временем Вуди оказывается в квартире злодея, где знакомится с тремя другими игрушками: конем Булзаем, ковбойшей Джесси и старателем Питом Вонючкой. Все они рады увидеть Вуди, который однако не понимает, что происходит. Они проводят ему экскурсию по квартире Эла, демонстрируя, что когда-то он был звездой популярного детского шоу «Загон Вуди», героями которого они все и были. Тем временем в комнате Энди игрушки смотрят рекламу «Амбара игрушек» по телевизору. Они записывают адрес места, после чего спасательная группа в составе Базза, Мистера Картофельной Головы, Рекса, Хэмма и Спиральки, отправляется на спасение Вуди. Базз убеждает остальных, что они вернутся до возвращения Энди из ковбойского лагеря.
Вуди в это время смотрит старые выпуски своего телевизионного шоу в квартире Эла. Старатель Пит говорит, что их шоу закрыли, так как ковбои вышли из моды, когда дети переключили свое внимание на космические игрушки. Когда Вуди узнает, что Эл собирается продать всю свою коллекцию в музей игрушек в Токио, то говорит, что не может поехать, так как должен вернуться к Энди. Старатель Пит объясняет, что музей примет их только в том случае, если коллекция будет полной, поэтому Вуди должен поехать с ними, чтобы не разрушать их мечту, так как иначе их просто забудут. Неожиданно возвращается Эл, который решает сфотографировать игрушки, чтобы отправить фото в музей. В процессе он окончательно отрывает Вуди руку.
Позже вечером Эл засыпает за просмотром телевизора. Вуди замечает свою руку в его кармане и пытается вернуть ее. Неожиданно включается видеомагнитофон, так что Эл просыпается, и планы Вуди рушатся. Когда Эл выходит из комнаты, то он замечает Джесси рядом с видеомагнитофоном, а потому обвиняет ее в произошедшем. Джесси начинает ругаться с ним, но вскоре их перепалку останавливает Старатель Пит.
На следующее утро Базз и остальные игрушки добираются до «Амбара игрушек» и решают разделиться, чтобы найти Вуди. Базз в своем пути находит множество версий себя. На одной из игрушек Базз замечает антигравитационный пояс, который решает забрать себе, однако другой Базз просыпается и укрощает его. Двойник Базза, как и Базз из первого фильма, уверен, что он настоящий космический рейнджер. Он запечатывает настоящего Базза в коробке, и решает выдать себя за него, когда на место подоспевают друзья героя. Настоящий же Базз изо всех сил пытается выбраться из упаковки.
Тем временем Вуди чинят руку, очищают о пыли и стирают с ботинка надпись «Энди», так что теперь он выглядит абсолютно новым. После этого Эл фотографирует игрушки и направляется к факсу, чтобы отправить информацию в Японию. Вуди в восторге, что снова цел, а потому намеревается уйти, однако это расстраивает Джесси. Старатель Пит говорит, что они должны помириться, прежде чем он уйдет. Вуди пытается объяснить Джесси, какой Энди хороший, однако Джесси говорит ему, что и у нее когда-то была владелица по имени Эмили, однако та бросила ее, когда выросла.
Вуди начинает потихоньку уходить, однако Старатель Пит предупреждает Вуди, что то же самое произойдет и с ним, когда Энди повзрослеет. Если Вуди уйдет, то рано или поздно тоже окажется ненужным, но если останется с ними, то навсегда будет увековечен в музее, и его всегда будут помнить. После этого Вуди решает прислушаться к нему.
Тем временем спасательная группа видит, что Эл отправляет факс в Японию, прежде чем отправиться домой. Они прыгают в его сумку, так как как уверены, что он приведет их к Вуди. Настоящему Баззу Лайтеру наконец-то удается освободиться в последний момент, и он понимает, что остальные забрались в сумку Эла. Он начинает следовать за ними, но по пути случайно задевает полку с игрушками Императора Зурга, злейшего врага Базза. Один из Зургов просыпается и начинает преследовать Базза.
К несчастью для игрушек, Эл оставляет свою сумку в машине, поэтому им приходится проникать в здание, используя систему вентиляции. Им удается добраться до квартиры Эла и найти Вуди. В это время появляется настоящий Базз, который доказывает свою подлинность.
Вуди же шокирует своих друзей, говоря, что решил поехать в Японию, так как считает, что рано или поздно Энди забудет про него. Базз пытается убедить друга передумать, повторяя слова самого Вуди, который когда-то сказал ему, что жизнь стоит того, только если тебя любит ребенок. Когда Вуди вновь отказывается уходить, то друзья в печали покидают его.
Когда они уходят, Вуди продолжает размышлять над словами Базза. Затем он оттирает краску со своего ботинка, чтобы вновь увидеть имя Энди. Затем он направляется к вентиляционной решетке и кричит Баззу, что передумал. После этого он идет к Джесси и Булзую, которым предлагает пойти вместе с ним. Джесси боится вновь оказаться ненужной, но Вуди очень хочет, чтобы они пошли вместе. Когда он уже собирается спросить и Старателя Пита, то обнаруживает, что его коробка пуста. Сам Пит сейчас запечатывает крышку вентиляционного люка.
Старатель злится на них. Он всю свою жизнь провел в упаковке, его так и не купили, и никогда не любили, поэтому он непременно намерен отправиться в Японию вместе с ними. Друзья Вуди пытаются открыть решетку, но не успевают, так как появляется Эл, который собирается отправить четверку в Японию. Базз и остальные спускаются по вентиляционной шахте к лифту, но там дорогу им преграждает Зург. Двойник Базза противостоит злодею, но оказывается шокирован, когда Зург говорит, что является его отцом. Ситуацию спасает Рекс, который случайно задевает Зурга, и тот падает с лифту в шахту.
Героям не удается успеть сесть в машину Эла, поэтому они крадет автомобиль доставщика пиццы и начинают преследование. Двойник Базза же в это время находит общий язык с Зургом.
Группа достигает аэропорта, где умудряется добраться до зоны багажа. Там Баззу удается найти багаж Эла, но наружу вырывается Старатель Пит, который ударяет его. Вуди противостоит злодею, но тот с помощью своей кирки вновь открывает Вуди руку. Старатель обещает продолжить кромсать Вуди, если тот не вернется в чемодан, но его план срывается, когда появляются остальные члены группы. Они решают проучить Старателя, закинув его в рюкзак маленькой девочки. Когда она находит игрушку, то решает, что ей нужно сделать макияж.
Затем они успешно освобождают Булзая, но не успевают спасти Джесси, так как чемодан попадает на самолет. Герои бросаются вслед за ней, и Вуди удается забраться на борт. Джесси рада, что он пришел ей на помощь, однако в это время багажное отделение закрывается, и самолет начинает движение. Героям удается выйти через шасси и с помощью Базза оказаться на земле до взлета.
На следующий день Энди возвращается из ковбойского лагеря и с нетерпением ищет свои игрушки, которые оказываются на кровати, рядом с новыми. Он чинит руку Вуди, а затем пишет свое имя на подошвах Джесси и Булзая.
