17歳になったアンディは、大学に行くため部屋を空ける準備を始めていました。ウッディ(声:トム・ハンクス/唐沢寿明)やバズ(声:ティム・アレン/所ジョージ)たちオモチャ仲間は、アンディとの別れの予感に戸惑うばかり。そんなある日、ウッディたちは手違いで、なんと、保育園に寄付されてしまいます!そこに暮らすたくさんのオモチャたちに歓迎されて喜ぶバズたちは、アンディの元へ帰ろうと訴えるウッディには耳を貸しません。たったひとり脱出したウッディでしたが、仲間たちに危険が迫っていることを知り、救出に戻るのですが…。たとえ助かったとしても、もう居場所のないウッディたち。そんな彼らを待ち受けていた、"思いもよらぬ運命"とは?