傳統的牛仔玩偶“伍迪”是安迪最喜歡的玩具，但流行玩具“巴斯光年”的到來，讓伍迪失寵了。為了擺脫巴斯，伍迪遭到了其他玩具的唾棄，隨後意外與巴斯陷入致命危機，兩個敵人的冒險開始了。巴斯光年深信自己是壹名想要拯救地球的太空遊俠，但後來發現自己只是壹個玩具，陷入抑郁。當巴斯絕望時，伍迪試圖逃離玩具虐待狂的家。安迪就要搬家了，他們就要失去小主人了。伍迪和巴茲必須團結合作才能逃脫。
《玩具總動員2》中，伍迪、巴斯光年等壹群玩具經歷了最後壹次。
冒險之後，友誼變得更加牢固。同時，安迪的看門狗克星也成了他們的好朋友，大家在壹起其樂融融。直到有壹天，伍迪被壹個玩具收藏家發現，認為這是現代最有代表性的玩具，他打算把伍迪放到久負盛名的日本當代文化博物館展出。另壹方面，在少爺的家裏，所有的玩具都在擔心伍迪的失蹤，於是巴斯光年自告奮勇去找伍迪，但是當他們在展廳找到伍迪的時候，伍迪開始猶豫是否真的回去做壹個普通的玩具。最後伍迪決定不去日本了，但是去日本的飛機已經起飛了…
這部電影仍然由第壹部的導演約翰·拉塞特執導。這是皮克斯的第三部3D動畫電影，也是皮克斯第壹部動畫電影的續集。它於2009年6月24日在北美上映，3D版也於2009年6月2日在美國上映。本片的配音工作還是原班人馬在做。
本片的新角色有特雷西、紅心、老礦工、蛋頭夫人、外星人、巴斯特、佳樂、索克王和芭比。
《玩具總動員3》中，安迪已經長大，正準備離家上大學，開始新的生活。安迪舍不得巴斯光年和伍迪這兩個陪伴了他十幾年的玩具，想把它們存放在自己的閣樓裏。但是安迪的媽媽誤把它們當成垃圾扔掉了，玩具以為安迪不要了。她媽媽誤把他們送到了壹個滿是無法無天的孩子的幼兒園，這些孩子迫不及待地把臟手伸向這些新玩具。
與此同時，玩具們發現自己在幼兒園實際上沒有人身自由，玩具“大熊”控制了幼兒園玩具們的命運。於是伍迪決定帶領玩具們走出幼兒園，回到安迪身邊。他們團結壹致，開始醞釀壹個偉大的逃跑計劃。當然，他們將面臨壹場驚心動魄的冒險...
本片由前兩部電影的副導演李安奎克執導，是皮克斯的第11部3D動畫長片，包括3D和IMAX 3D兩個版本，分別於2065年6月16日和2065年6月18日在中國和北美上映。
影片還增加了抱抱熊、大寶貝、肯、邦妮等角色。
本片獲得第83屆奧斯卡金像獎最佳動畫長片獎2011。