『トイ・ストーリー２』から12年、ピクサー社が劇中でも12年の月日がたった設定で続編を贈る。おもちゃの持ち主アンディも17才、宝箱の中のあのおもちゃたちと触れ合うこともなくなった。そして大学に入学し家を出て寮に引っ越す日が迫る。母親から、荷物を寮へ持って行くもの、屋根裏へしまうもの、捨てるか誰かにあげるものへ分けなさいといわれるアンディ。少し悩んで思い切って宝箱を開けるアンディ。ところがちょっとした偶然でカウボーイのウッディ以外のおもちゃが保育園に寄付されることに。アンディに見捨てられたとショックを受ける仲間たちのためにウッディは保育園に駆けつけるが、実は保育園はおもちゃにとって…(103分)