《玩具总动员3》讲述的是小男孩安迪已经长大成人，即将离家开始大学生活。一箱子玩具本来想放到阁楼，却被妈妈错捐给一家托儿所，玩具们新的冒险之旅即将展开，除了人类小朋友的蹂躏外，新的友谊与未知的阴谋也在当中展开。但当玩具们得知小主人想要找回他们时，漫漫回家路，冒险才真正地开始了……
安弟已经长大成人，正准备离家前往大学，展开新的生活。安弟舍不得巴斯光年和胡迪这些陪伴他十几年的玩具，想把玩具们存入自家阁楼，但安弟的妈妈还是错把玩具们送到了一个全是无法无天的孩子们的幼儿园，这些孩子们迫不及待地将他们的小脏手伸向这些新来的玩具们。 同时玩具们发现他们在幼儿园其实毫无人身自由，玩具"大熊"控制着幼儿园玩具们的命运。于是胡迪决定要带领玩具们离开幼儿园，回到安弟的身边。他们万众一心，开始酝酿一个伟大的逃跑计划，当然，他们将面临的是一次惊险无比的大冒险！

安迪已经高中毕业了，即将成为大学生，而他的玩具，包括伍迪、巴斯光年都面临将要被放在阁楼上的命运。在他们被放到阁楼之前，却意外的被丢弃，并被一个清理垃圾的人所捡起。玩具们发现自己被带到了一个当地的日间托儿所，他们必须要在那儿想办法面对一群调皮且粗鲁的学龄前小孩。胡迪打算要带领他的朋友们逃离托儿所，并为自己和他们找到一个新的安身之处。但巴斯光年在一次尝试逃离的行动中受到了损伤，使得整件事情变得更复杂了……

玩具们的主人安迪今年17岁了，马上即将迎来他自己人生中的一个重要阶段——大学。同时，这个变故对于他的玩具们来说也意义重大，也许这将改变他们所有人的命运。正当伍迪和巴斯光年他们为未来担忧的时候，安迪决定仍然保留他所有的玩具，并且带着伍迪一起去大学，将剩下的放入阁楼。但是，安迪的母亲却无意中将打包了玩具的箱子扔进了垃圾堆。当玩具们意识到自己置身于垃圾中时，他们都以为是安迪抛弃了他们。牧羊女杰西这时号召大家掌控自己的命运，开始新的生活。于是玩具们跳进了一个前往日托幼儿园的箱子。与此同时，伍迪作为唯一一个安迪的“亲随”并没有被放入箱子中。当他意识到大家不见了之后，便开始了他自己的拯救行动。但是不幸的是，最后他自己也被困在了箱子中。来到新的环境后玩具们遇到很多新的朋友，同时也有许多并不十分友好的玩具在那里等着给他们制造麻烦。玩具们需要闯过许多难关才能找到回家的路，而首先，伍迪必须让同伴们信服，安迪并没有抛弃他们。