Andy a grandi : à dix-sept ans, il s'apprête à partir à l'université et doit décider du sort de ses jouets d'enfance. Par une série de malentendus, Woody, Buzz et leurs amis se retrouvent donnés à la crèche Sunnyside, apparemment un paradis pour jouets — qui se révèle vite être une prison dirigée d'une main de velours par Lotso, un ours en peluche au passé douloureux. Pour survivre et retrouver Andy avant qu'il ne parte pour de bon, les jouets devront s'unir une dernière fois dans une aventure aussi périlleuse qu'émouvante.