Este juego en 3D deja los juguetes en una habitación llena de niños indómitos que no pueden esperar para poner sus deditos pegajosos en estos "nuevos" juguetes. Es un caos mientras intentan permanecer juntos, asegurando que "no se quede ningún juguete". ¡Sumérgete en todas las nuevas aventuras heroicas en el Modo Historia o deja volar tu imaginación en el nuevo y emocionante mundo abierto del Modo Toy Box! Ven y juega hasta el infinito... ¡y más allá!
Todo comienza cuando Andy está a punto de irse a la universidad. Andy no ha jugado los juguetes durante años, por lo que hacen un plan para que Andy juegue con ellos por última vez. Pero fallan, por lo que los juguetes se esconden en una caja que se dirige a la guardería, aunque Woody se muestra reacio. Son recibidos calurosamente en Sunnyside por un osito de peluche con aroma a fresa llamado Lotso, que organiza un carnaval de "Bienvenidos a nuevos juguetes". Aunque Woody se divierte, todavía piensa que debería estar con Andy e intenta escapar de Sunnyside, pero termina siendo llevado a casa por Bonnie, quien lo encontró en el suelo. Mientras tanto, los otros juguetes de vuelta en la guardería dicen que Sunnyside "no está soleado" para todos. Resulta que Lotso había convertido Sunnyside en una prisión de juguete, después de que fuera reemplazado por su dueño original.

Los juguetes están encerrados en jaulas y custodiados por camiones y helicópteros de juguete de seguridad, mientras que Buzz es reprogramado por Lotso y ahora piensa que sus amigos son "secuaces de Zurg" y protege sus jaulas. Woody se entera de esto y corre a Sunnyside para salvar a sus amigos. Después de liberar a sus amigos, logran que Buzz vuelva a la normalidad y escapan deslizándose por un vertedero de basura y aterrizando en unos contenedores de basura. Antes de que puedan escapar, caen en un camión de basura y terminan en el basurero. Peor aún, son empujados a una cinta transportadora que se dirige a unas trituradoras gigantes, y Woody, Buzz y Jessie se separan de los demás. Después de salvarse a sí mismos, van a salvar a los otros juguetes, que también se dirigen a una trituradora. Trabajando juntos, atascan la trituradora y explota, salvando a los otros juguetes. Los juguetes regresan a casa y Andy se los confía a Bonnie.
Lucha, compite y conviértete en la mejor historia de juguetes.
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