Энди решает взять Вуди с собой в колледж, а другие игрушки спрятать на чердаке. Он складывает их в пакет и готовится отнести наверх, но по нелепейшей случайности они остаются на полу в коридоре. Мама принимает их за мусор и бросает во дворе.

Увидев это, Вуди бежит спасать своих друзей, однако выясняет, что игрушки спрятались в гараже. Они ошибочно подумали, будто Энди хотел их выбросить. Джесси считает, что игрушки должны взять на себя ответственность за свою судьбу, и убеждает всех залезть в коробку с пожертвованиями детскому саду «Солнышко». Вуди же пытается объяснить игрушкам, что они были выброшены случайно, однако, не успевает убедить: мама Энди закрывает багажник машины, и все отправляются в детский сад. В коробке они встречают Барби — игрушку Молли, младшей сестры Энди, которую та решила отдать.

Команда прибывает в «Солнышко». Там игрушек все приветствуют с распростёртыми объятиями, в том числе, лидер детского сада — плюшевый медведь Лотсо («Обнимишка»), а также Кен, который влюбляется в Барби. Игрушки стремятся начать новую жизнь в детском саду. Но Вуди решает вернуться к Энди и ехать с ним в колледж. Он пытается совершить побег из «Солнышка», используя дельтаплан на крыше, однако побег не удаётся. В итоге Вуди теряет свою шляпу и застревает на ветке дерева. Его находит и забирает домой милая четырёхлетняя девочка по имени Бонни (дочь знакомых семьи Энди). Там он познакомился с трицератопсом Трикси, ежом мистером Колючкой, куклой Долли, Тоторо и единорогом Лютиком, принимает участие в весёлых играх. Однако он всё же желает вернуться к Энди и за компьютером вычислил, что дом Энди недалеко.

Узнав, что Вуди был в «Солнышке» и спасся оттуда, а его друзья до сих пор там, игрушки Бонни приходят в ужас. Клоун (ещё одна игрушка Бонни), впавший в депрессию, рассказывает Вуди, что он, Лотсо и Мега-Пупс (ныне один из приспешников Лотсо) когда-то принадлежали любящей девочке Дейзи. Лотсо был главным любимцем. Но однажды она отправилась на автомобильную прогулку. На привале они поиграли, а Дейзи уснула после обеда и случайно оставила их в сельской местности. Когда они вернулись в дом Дейзи, то увидели, что родители купили ей нового медведя (возможно, не по её просьбе, а из нежелания искать Лотсо). Лотсо был очень расстроен и разозлён. Он решил, что Дейзи заменила всю троицу, запретил возвращаться домой и остальным. Они долго скитались, брошенные, нелюбимые, ненужные, пока наконец не пришли в «Солнышко». Но Лотсо уже не был другом клоуну - он никому не был другом. Он захватил власть в "Солнышке" и устроил там концлагерь для игрушек. Самому клоуну, к счастью, повезло - он был сломан детьми и выброшен, Бонни нашла его, пожалела и забрала домой, где починила.

Вуди понимает, что он должен спасти своих друзей и вместе вернуться к Энди, прежде чем тот уедет в колледж. Он встречает игрушечный Телефон, который рассказывает Вуди, что главное - избавиться от обезьяны-сторожа с тарелками. Потому что, не избавившись от обезьяны, схвачены игрушечный кролик, пингвин-пирамидка и несколько кукол.

Тем временем остальные игрушки находятся в «Солнышке». Им не очень нравится, что они попали в комнату для самых маленьких — «Комнату Гусеничек», ибо игры оказываются отнюдь не такими весёлыми, как хотелось. Малыши не умеют как следует обращаться с игрушками — пинают и мусолят их, пачкают краской. Базз Лайтер решает выбраться оттуда, дабы попросить Лотсо перевести их в «Комнату Бабочек». Он случайно подслушивает разговор «детсадовской мафии» о том, что «новички — просто хлам для малолеток», после чего его замечает и хватает Мега-Пупс. Злые игрушки переключают Базза в режим «Демо», после чего он снова начинает думать, будто он настоящий космический рейнджер, а его друзья — слуги императора Зурга. Теперь Лотсо ничего не стоит убедить его стать их приспешником. В это время миссис Картофельная Голова, глядя своим потерянным глазом в доме Энди, узнаёт, что Энди активно ищет свои игрушки, и он вовсе не собирался их выбрасывать. Узнав это, игрушки Энди решают уйти из «Солнышка», но натыкаются на злого Базза и приспешников Лотсо, которые запирают их в клетки (но Барби ни в чем не виновата, ее случайно заперли ее в клетку). Медведю нужны добровольцы для «Комнаты Гусеничек», поскольку никто из его шайки сам не хочет участвовать в подобных играх. Поэтому всех новичков пытаются уничтожить для младшей группы, добровольно или принудительно.