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 preescolar.
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 se daña durante un intento de fuga. A arreglar a Buzz, los juguetes provocan que vuelva a creer que es un "Guardián Espacial", pero con rasgos españoles, para gran incomodidad de los otros juguetes. Además, éstos se darán cuenta de que estar en la guardería "Sunny Side" no es como ellos se imaginaban.
