八岁的邦妮（斯嘉丽·斯皮尔斯 配音）因为仍爱玩玩具而难以融入同龄人圈子，父母为了帮她交到朋友，送给她一台风靡当下的青蛙造型平板电脑“小荷平板”（格蕾塔·李 配音）。邦妮很快沉迷于这个新科技产品，开始冷落衣柜里的传统玩具们。
自从胡迪（汤姆·汉克斯 配音）离开后，女牛仔翠丝（琼·库萨克 配音）便成为了邦妮房间的新领袖。看到小主人沉迷屏幕、远离想象力的世界，翠丝深感焦虑。她通过对讲机向老朋友胡迪求助，而胡迪此时正与牧羊女宝贝一起，帮助被遗弃的玩具寻找新家。
翠丝决定主动出击。她与红心一起，暗中试图为邦妮寻找一个真正志同道合的玩伴。一场“追踪行动”让翠丝意外回到了她最初的主人艾米丽的旧居，在那里，她发现了一座堆满被遗忘玩具的棚屋，也结识了一群同样面临时代变迁的老旧科技玩具。
一个名叫布蕾兹的女孩正住在艾米丽的旧居中。为了促成邦妮与这位同样充满想象力的女孩相遇，翠丝和小荷平板不得不放下对彼此的成见，开始合作。而此时，一批因事故漂流到岛上的高科技“巴斯光年”军团（蒂姆·艾伦 配音）也加入了这场关乎玩具命运的行动。
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