自从上一集牛仔伍迪救回巴斯光年之后，他一直和其他玩具一起快乐的生活在小主人家。一次，小主人参加夏令营去了，伍迪因为破旧而没被带去。留在家里的伍迪恰巧被一个玩具收藏家发现了，认为他是近代最具代表性的玩具。于是将伍迪被偷了出来放在颇富盛名的文化博物馆内展览。在家里所有的玩具都很担心伍迪，因此巴斯光年自告奋勇去寻找伍迪，但是当他们发现伍迪在展览馆时，伍迪却似乎不再愿意回去过那平凡的生活……

胡迪深知自己在这个世界上的使命，就是照顾他的主人，无论是原来的安迪还是新主人邦妮。当邦妮将不情愿成为玩具的“叉叉”带回家时，胡迪又担起了教导叉叉接受自己新身份的责任。然而当邦妮将所有玩具带上房车家庭旅行时，胡迪与伙伴们将共同踏上全新的冒险之旅，领略房间外面的世界有多广阔，甚至偶遇老朋友牧羊女。在多年的独自闯荡中，牧羊女已经变得热爱冒险，不再只是一个精致的洋娃娃。正当胡迪和牧羊女发现彼此对玩具的使命的意义大相径庭时，他们很快意识到更大的威胁即将到来……

故事背景是以南美移民子女为主的洛杉矶加菲莆高中。原来任职电脑公司的伊斯克兰特为施展抱负到该校任教，因该校经费拮据没有电脑，只好改教数学。他用强悍的教学方式台阶驯服了以菲利浦为首的顽劣学生，并帮他们以高分通过了越级考试，不料竟被人怀疑为集体作弊。学生们为了澄清误会决定重考，师生之间合作无间，终创下合格人数之最高纪录，也为该校争取到购卖电脑的经费