앤디의 어머니는 쓸모없는 물건들은 팔기 위해
앤디의 장난감 몇가지를 현관 앞 뜰에 전시한다.
우디의 토이 친구 위지가 누군가에게
팔려가게 될 운명이란 것을 발견한 우디는
위지를 구출하러 밖으로 나간다.
그러나 우디는 앤디의 집앞을 지나던
토이 수집광 알에게 발견되어 유괴당한다.

다운타운에 대형 토이숍을 갖고 있는 알은 1950년대 방영됐던
TV 프로 우디의 가축몰이에 나왔던 토이들을 수집하던 중이었으며
너무나 희귀하여 찾기 힘들었던 카우보이 토이 우디마저 손에 넣자
일본에서 토이 박물관을 열려는 사업가에게 팔아넘길 계획을 세운다.

우디가 유괴당하는 것을 목격한 버즈 라이트이어와 토이 친구들은
버즈의 지휘에 따라 우디 구출작전을 펼치기 시작한다.
자동차을 피해 목숨을 걸어야 하는 도로횡단 작전과
승강기 탈출작전 등 기상천외한 어드벤처를 겪으며
알의 토이숍에 침투한 버즈일행은
설상가상으로 버즈의 은하계 숙적 Z대왕과 마주치게 된다.

한편, 알의 토이 수집실에 갇힌 우디는
자신이 우디의 가축몰이프로의 스타였다는 사실을 발견하고 놀란다.
프로에 같이 출연했던 카우걸 제씨를 만나고나서부터
번민에 휩싸이기 시작한다.
제씨로부터 충격적이고 슬픈 얘기를 들었기 때문이다.
제씨에겐 에밀리란 이름의 어린 주인이 있었다.

에밀리는 제씨를 무척이나 아꼈지만 성장하고 나선 제씨를 버렸다.
이 얘기를 들은 우디는 자신도 머잖아
앤디로부터 버림받을 것이란 생각을 하게 된다.
일본의 토이 박물관에 팔려가면 영원히 어린이들로부터
사랑받을 수 있을 것이라고 판단한 우디는
앤디에게 돌아가지 않기로 결심한다.

한편, 버즈 일행의 긴박한 구출작전과
우디가 왜 번민하는지 알 길이 없는 알은 모든 항공 수속을 마친 뒤
우디와 우디의 가축몰이 친구들을 가방에 넣어 공항으로 향하는데...