Film dibuka dengan adegan ala film koboi saat Woody, Jessie, dan Buzz bersatu melawan Hamm, Mr. Potato Head, Mrs. Potato Head, dan The Aliens yang ternyata hanya merupakan visualisasi dari khayalan Andy kecil. Adegan selanjutnya memperlihatkan masa-masa kecil Andy bersama mainan-mainannya.
Andy kini telah berumur 17 tahun dan memiliki mainan lama ketika kecil, beberapa telah dijual atau diberikan. Yang lain telah disimpan dalam kotak dan disimpan jauh sebagai daftar untuk Andy saat di kampus. Dia memutuskan untuk membawa Woody bersama dengannya dan mainan lainnya diletakkan di dalam plastik sampah dengan niat untuk menyimpan mereka di dalam loteng, tetapi Ms. Davis keliru dengan meletakkan kantong itu di pinggir jalan sebagai sampah. Karena percaya bahwa Andy tidak lagi menginginkan mereka, mereka menyelinap ke tempat mainan yang akan disumbangkan untuk lembaga pra-sekolah Sunnyside Daycare. Woody, yang melihat apa yang sebenarnya terjadi, mencoba untuk menjernihkan salah paham, tetapi permainan yang lain menolak untuk mendengarinya.
Para mainan dibawa ke Sunnyside, di sana mereka menerima sambutan yang mempromosikan dari mainan perawatan anak, dipimpin oleh boneka Beruang Lots-o'-Huggin' (Lotso). Woody mencoba untuk meyakinkan orang lain untuk kembali ke pangkuan Andy, namun mereka merasa bahwa mereka akan bahagia di Sunnyside, sehingga mereka membiarkan Woody pergi tanpa mereka. Teman-teman Woody kemudian ditempatkan oleh Lotso di kelas anak-anak yang lebih muda, lalu mereka dimainkan dengan cara yang sangat menyiksa. Sementara itu, Barbie milik Molly yang juga turut disumbangkan mulai jatuh cinta pada Ken yang merupakan tangan kanan Lotso dan juga telah jatuh cinta pada Barbie. Buzz pergi untuk meminta Lotso memindahkan mereka ke kelas anak-anak yang lebih tua, tetapi ditangkap oleh kaki tangan Lotso yang kemudian mengembalikannya ke modus demo.
Saat melarikan diri dari Sunnyside, Woody ditemukan dan diambil oleh seorang gadis dari pusat perawatan yang bernama Bonnie. Salah satu mainan Bonnie bernama Chuckles mengungkapkan kepada Woody kebenaran tentang Lotso dan Sunnyside: Lotso, Chuckles dan Big Baby, pernah dimiliki oleh seorang gadis kecil bernama Daisy. Suatu ketika mereka secara tidak sengaja tertinggal oleh Daisy yang tertidur saat mereka dalam perjalanan. Lotso, Chuckles dan Big Baby berhasil menemukan jalan pulang ke rumah hanya untuk menyaksikan Lotso diganti dengan mainan serupa yang akhirnya membuat Lotso sakit hati. Mereka kemudian menemukan Sunnyside dan merubahnya seperti penjara mainan. Pada tempat pusat perawatan anak, mainan yang lain mendapati Andy mencari mereka ketika Ibu Potato Head melihat dengan matanya yang hilang di kamar Andy.Mainan lainnya mencoba untuk meninggalkan tempat tersebut tetapi dipenjarakan oleh Lotso dan kaki tangannya, termasuk Buzz yang dalam modus demo-nya.
Woody kemudian kembali ke Sunnyside untuk membantu teman-temannya keluar. Barbie membantu mereka melakukannya dengan menipu Ken yang membiarkan Barbie keluar dari tempat kurungan. Mainan lainnya secara tidak sengaja mengembalikan Buzz ke modus Spanyol semasa melarikan diri, setelah dia bergabung ke sisi mereka (percaya mereka tahu di mana pesawat angkasanya) dan terpesona dengan Jessie. Para mainan menggunakan gorong sampah untuk mencapai tempat sampah di luar perawatan anak, tetapi Lotso dan kaki tangannya menangkap mereka. Ken melindungi mainan Andy, mengatakan bahwa dia telah jatuh cinta dengan Barbie yang telah mengubahnya, dan oleh itu dia telah melawan Lotso. Woody menjelaskan kepada anak buah Lotso pada masa lalunya, dan ketika Lotso akhirnya gusar, Big Baby melempar Lotso ke dalam tempat sampah tersebut. Lotso menarik Woody ke tempat sampah tepat sebelum truk sampah tiba, memaksa orang lain untuk menyelamatkannya. Di dalam kekacauan ketika sampah jatuh, Buzz menyelamatkan Jessie dari jatuhnya TV rusak, yang mengakibatkan benda tersebut menimpanya, lalu mengembalikan memori aslinya tanpa memori modus yang lain.
Para mainan tiba di pabrik sisa di mana mereka ditekan dan jatuh ke dalam. Para mainan menggunakan magnet untuk melarikan diri, tetapi melihat Lotso tersangkut di bawah tas golf berteriak meminta tolong. Woody dan Buzz berhasil menyelamatkannya tepat waktu. Kemudian para mainan menemukan bahwa mereka dibawa ke Insinerator (tempat penghapusan). Lotso memperhatikan tombol berhenti darurat dan mendapatkan Woody untuk membantunya menaiki tangga ke arah itu. Tetapi ketika ia mencapai tombol, dia mengkhianati penolongnya dan menolak untuk menekan tombol tersebut dan menyebabkan Woody dan lainnya jatuh ke dalam Insinerator. Mereka bergandengan tangan ketika mereka menyadari tidak ada jalan keluar. Tetapi pada menit terakhir, mereka diselamatkan oleh para mainan alien yang menggunakan pencapit. Lotso kemudian ditemukan oleh seorang tukang sampah yang mengikat dia di bagian depan truk.
Para mainan kembali ke rumah Andy melalui sebuah truk sampah dan mempersiapkan diri untuk disimpan di loteng. Woody memutuskan ia dan teman-temannya lebih baik berada di tempat lain. Dia menulis pesan di kertas dan melekatkannya di kardus dengan semua mainan di dalamnya. Setelah membaca pesan tersebut, Andy memuat para mainan untuk dikirim ke Bonnie. Dia memperkenalkan setiap permainan dan terkejut menemukan Woody ada di antara mainan-mainan tersebut, pada mulanya Andy keberatan untuk memberinya tetapi memutuskan untuk membiarkan Bonnie memilikinya. Kemudian bersama-sama dengan Bonnie, Andy bermain dengan mainan-nya sekali lagi sebelum ia berangkat ke kampus. Ketika Andy bertolak, Woody dengan sedih mengucapkan selamat tinggal kepada pemilik aslinya, Andy, saat ia mengatakan "Selamat tinggal, kawan". Buzz menenangkannya dan kemudian Woody memperkenalkan teman-teman lamanya ke teman-teman barunya.
Saat kredit, kondisi para mainan baru jauh lebih baik, yaitu di mana Barbie dan Ken yang sekarang bertanggung jawab atas Pusat Layanan Sunnyside dan mengubahnya menjadi tempat yang menyenangkan untuk barang mainan. Para mainan sekarang bergiliran bermain dengan anak-anak yang lebih muda daripada memaksakan mainan tertentu untuk melakukan semua itu. Para mainan di rumah Bonnie tetap saling berkomunikasi dengan mainan-mainan di Sunnyside dengan menyelinpkan catatan ke dalam kantong Bonnie.
