Andy part en colonie de vacances, laissant derrière lui son univers familier. Mais alors que tout semble calme, un événement inattendu se produit : le collectionneur Al McWhiggin kidnappe Woody, objet de sa plus grande convoitise. Le petit cow-boy est conduit dans une demeure mystérieuse, où il découvre qu'il fait partie d'une émission des années 50, récemment acquise par un grand collectionneur. Là, il rencontre d'autres jouets qui ont connu la même aventure : Jessie, Pile-Poil et Papi Pépite. Mais Woody ne tarde pas à comprendre que son avenir est menacé : il risque de rester prisonnier de cette collection, pour toujours. Et alors que tout espoir semble perdu, une lumière d'espoir se fait jour