Pasaron 10 años y Andy, ya ha crecido, ingresa a la universidad, y sus juguetes, incluidos Buzz y Woody, se van a guardar en el ático dentro de una bolsa. Pero accidentalmente son tirados de alguna manera y Woody los logra rescatar antes de que se los lleve el camión de basura, pero después la mamá de Andy los lleva a la guardería "Sunny Side" donde deben tratar de sobrevivir de descuidados niños de pre-escolar. Woody intenta salvar a sus amigos y hacerlos regresar con Andy antes de que se vaya a la universidad, pero las cosas se complican aún más cuando Buzz es secuestrado y reseteado por el malvado Lotso para ponerlo en contra de sus amigos, lo cuál provoca que vuelva a creer que es un "Guardián espacial". Los juguetes de Andy quieren regresarlo a ser como era antes y en vez de arreglarlo surge un nuevo Buzz de rasgos españoles, para gran incomodidad de los otros juguetes, menos para Jessie que se enamora de su manera de actuar tan "romántico". Además, estos se darán cuenta que estar en la guardería "Sunny Side" no es como ellos se imaginaban.