Filem dibuka dengan adegan ala filem koboi di mana Woody, Buzz, dan Jessie bersatu melawan Hamm, Mr. dan Mrs. Potato Head serta the Aliens yang ternyata hanya merupakan visualisasi dari imajinasi Andy kecil. Adegan selanjutnya memperlihatkan masa-masa kecil Andy bersama mainan-mainannya.

Andy telah berumur 17 tahun dan mempunyai mainan lama ketika kecil, beberapa telah dijual atau diberikan. Yang lain telah disimpan di dalam kotak dan disimpan jauh sebagai senarai untuk Andy semasa di kolej. Dia memutuskan untuk membawa Woody bersama dengannya dan permainan yang lain ddiletak di dalam plastik sampah dengan niat untuk menyimpan mereka di loteng, tapi Ms. Davis keliru dengan meletakkan beg itu di pinggir jalan sebagai sampah. Percaya bahawa Andy tidak lagi menginginkan mereka, mereka menyelinap ke tempat mainan yang akan disumbangkan untuk Sunnyside Daycare. Woody, yang melihat apa yang sebenarnya berlaku, cuba untuk menjernihkan salah faham, tetapi permainan yang lain menolak untuk mendengarinya.

Permainan dibawa ke Sunnyside dimana mereka menerima sambutan yang mengalakkan dari permainan penjagaan anak, dipimpin oleh Lots-o'-Huggin 'Beruang (Lotso). Woody cuba untuk meyakinkan orang lain untuk kembali ke pangkuan Andy, namun mereka merasa bahawa mereka akan bahagia di Sunnyside, sehingga mereka membiarkannya Woody pergi tanpa mereka.Yang lain akhirnya mendapati Lotso menyediakan anak-anak terlalu muda, dan mereka dilecehkan dan disiksa. Sementara itu, Molly Barbie, yang juga disumbangkan mula jatuh cinta pada Ken, yang merupakan orang kanan Lotso dan juga telah jatuh cinta pada Barbie. Buzz pergi untuk meminta Lotso memindahkan mereka kepada anak-anak yang lebih tua, tetapi ditangkap oleh beberapa mainan Sunnyside dan mengembalikannya ke sistem asal, sebagai space ranger.

Semasa melarikan diri dari Sunnyside, Woody dijumpai dan diambil oleh seorang gadis dari pusat penjagaan yang bernama Bonnie. Salah satu mainan Bonnie bernama Chuckles mendedahkan kepada Woody kebenaran tentang Lotso dan Sunnyside: Lotso,Chuckles dan Big Baby, pernah dimiliki oleh seorang gadis kecil bernama Daisy, tetapi Lotso lari selepas pemiliknya hilang dan menggantikannya, jadi dia mengambil alih Sunnyside dan mengubahnya menjadi penjara. Pada tempat pust penjagaan anak, Permainan yang lain mendapati bahawa Andy mencari mereka ketika Mrs Potato Head melihatnya melalui matanya yang hilang di bilik Andy.Permainan yang lain mencuba untuk meninggalkan tempat tersebut tetapi dipenjarakan oleh Lotso dan kaki tangannya, termasuk Buzz yang dalam mod demo-nya.

Woody kemudiannya kembali ke Sunnyside untuk membantu teman-temannya keluar.Barbie membantu mereka melakukannya dengan menipu Ken ke membiarkan dia keluar dari tempat kurungan.Permainan yang lain secara tidak sengaja mengembalikan Buzz ke mod Sepanyol selmasa melarikan diri, selepas dia bergabung ke sisi mereka (percaya mereka tahu di mana pesawat angkasa-Nya) dan terpesona dengan Jessie.Permainan menggunakan gorong sampah untuk mencapai tempat sampah di luar penjagaan anak, tetapi Lotso dan kaki tangannya menangkap mereka. Ken melindungi mainan Andy, mengatakan bahawa dia telah jatuh cinta dengan Barbie yang telah mengubahnya, dan oleh itu dia telah melawan Lotso. Woody menjelaskan kepada anak buah Lotso tentang masa lalunya, dan ketika Lotso akhirnya pergi terlalu jauh, Big Baby membaling Lotso di tempat sampah tersebut. Lotso menarik Woody ke tempat sampah tepat sebelum lori sampah tiba, memaksa orang lain untuk menyelamatkannya.Di dalam kekacauan apabila sampah jatuh, Buzz menyelamatkan Jessie dari dihancur yang mengakibatkan TV rosak menimpanya,lalu mengembalikan memori asalnya tanpa memori mod yang lain.

Permainan tiba di kilang sisa di mana mereka ditolak jatuh ke dalam. Permainan menggunakan magnet untuk melarikan diri, tetapi melihat Lotso tersangkut di bawah beg golf berteriak meminta tolong. Woody dan Buzz berjaya menyelamatkannya tepat pada masanya. Kemudiannya permainan mendapati bahawa mereka dibawa ke Insinerator(tempat penghapusan). Lotso mendapati terdapat butang berhenti kecemasan dan mendapatkan Woody untuk membantunya menaiki tangga ke arah itu. Tetapi ketika ia mencapai butang, dia mengkhianati penolongnya dan menolak untuk menolak butang tersebut dan menyebabkan mereka jatuh ke dalam Insinerator. Mereka berpegangan tangan ketika mereka menyedari ketakutan apabila tiada jalan keluar. Tetapi pada minit terakhir, mereka diselamatkan oleh alien meramas permainan. Kemudian, Lotso ditemui oleh seorang tukang sampah yang mengikat dia ke bahagian depan trak.

Permainan kembali ke rumah Andy di sebuah trak sampah dan mempersiapkan diri untuk disimpan di loteng. Woody memutuskan ia dan teman-temannya lebih baik berada di tempat lain. Dia menulis mesej di nota permainan dan melekatkannya pada tempat dengan semua permainan di dalamnya. Setelah membaca mesej tersebut, Andy memuatkan permainan untuk dihantar ke Bonnie. Dia memperkenalkan setiap permainan dan terkejut mendapati Woody termasuk, pada mulanya Andy keberatan untuk memberinya tetapi memutuskan untuk membiarkan Bonnie memilikinya. Kemudian bersama-sama dengan Bonnie, Andy bermain dengan permainan-nya sekali lagi sebelum ia berangkat ke kolej. Ketika Andy bertolak, Woody dengan sedih mengucapkan selamat tinggal kepada pemilik asalnya saat ia mengatakan "Selamat tinggal, rakan kongsi". Dia cepat-cepat ditenangkan oleh Buzz dan kemudian memperkenalkan teman-teman lamanya kepada teman-teman barunya.

Semasa kredit, keadaan bagi para permainan baru jauh lebih baik. Hal ini menunjukkan bahawa Barbie dan Ken sekarang bertanggungjawab atas Pusat Penjagaan Sunnyside dan menjadikannya tempat yang bagus untuk barang permainan. Permainan sekarang bergiliran bermain dengan anak-anak yang lebih muda daripada memaksakan permainan tertentu untuk melakukan semua itu.Permainan di rumah Bonnie tetap saling berkomunikasi dengan orang-orang di Sunnyside dengan menyelinap nota melalui beg Bonnie.