Woody a toujours privilégié la joie et le bien-être de ses jeunes propriétaires - Andy puis Bonnie - et de ses compagnons, n'hésitant pas à prendre tous les risques pour eux, aussi inconsidérés soient-ils. L'arrivée de Forky un nouveau jouet qui ne veut pas en être un dans la chambre de Bonnie met toute la petite bande en émoi. C'est le début d'une grande aventure et d'un extraordinaire voyage pour Woody et ses amis. Le cowboy va découvrir à quel point le monde peut être vaste pour un jouet...

A chaque anniversaire d'Andy, c'est la même chose ; ses jouets redoutent l'arrivée d'un nouveau venu qui pourrait les supplanter dans le coeur du petit garçon. Cette année là, la pire des prévisions va se réaliser : Buzz l'éclair, un cosmonaute électronique, fait une entrée triomphale. Bouleversant l'ordre des choses, il devient vite le héros d'Andy et des autres jouets. Détrôné et déshonoré, Woody le cow-boy est dès lors prêt à tout pour retrouver sa place de premier dans le coeur d'Andy et son statut de chef des jouets...