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自從十一年前玩具們所經歷的大冒險後，玩具們安然無恙的度過了好幾個年頭。轉眼間，玩具們的主人安弟已經成為一個青少年，也即將離家去展開他的大學生涯。胡迪與巴斯以及其他的玩具們也都人心惶惶，深怕這個他們內心最恐懼被丟棄的一天即將來臨。這一天，安弟的媽媽來到安弟的房間，詢問他將如何處置這些伴他渡過童年的玩具們，並且要求安弟在離家前要把這些東西處理好，如果沒有將要留下的玩具放置閣樓收藏，她就會把這些玩具處理掉。安弟在媽媽的逼迫下，再次打開他的玩具箱，童年回憶湧上心頭，他根本捨不得將任何一件玩具丟掉，所以將所有的玩具都放入大黑袋子中，準備將它們放置閣樓，但正要將袋子放入閣樓的同時，安弟被妹妹呼喚去幫忙，就在陰錯陽差之下，媽媽誤以為黑袋子裡的玩具是要丟棄，所以就將玩具們全數捐給陽光托兒所。

玩具們來到陽光托兒所原本以為來到了天堂，托兒所裡有非常好的規劃還有更多玩具的新朋友，而且玩具們也都興奮的期待能夠再與小主人一同玩樂。殊不知托兒所的小朋友一抵達教室的時候才是噩夢的開始，被拉扯、被吞食、被支解幾乎是天天上演的戲碼。 另外托兒所還有黑暗的地下組織，玩具們人人自危。

同時安弟發現珍藏的玩具被不心丟棄了，正心急如焚的尋找，玩具們得知小主人安弟在尋找他們，即將一起展開史上最大規模的逃亡行動，還有更多的冒險等著他們，玩具們是否能成功回到小主人安弟的身邊呢？