Em um dia de bricandeiras de Bonnie após o Natal, a galera se encontra em um território desconhecido ao perceber que os bonecos de ação superdivertidos, na verdade, são malucos. Para que os brinquedos voltem para o quarto de Bonnie, tudo depende de Trixie, a triceratops.

Após seis anos de má sorte, a cantora Madison Park finalmente retorna à popularidade. Seu mundo vira de cabeça para baixo quando um bombeiro bonito, John Kelly, salva sua vida de várias maneiras.

Os brinquedos partem em uma viagem juntamente com Bonnie, mas um evento inesperado faz com que todos parem em um hotel de beira de estrada. Quando um dos brinquedos simplesmente desaparece, Woody, Buzz e toda a turma precisam enfrentar o medo do desconhecido para encontrá-lo.

Gru mudou radicalmente sua vida e se dedica às filhotas Agnes, Edith e Margo, deixando de lado os tempos de vilão. Ele só não contava que seu passado fosse responsável pelo seu recrutamento pela Liga Antivilões para salvar o mundo na companhia da agente Lucy. Juntos, eles precisam localizar o criminoso que roubou a fórmula PX41 e Gru desconfia que seu antigo concorrente El Macho possa ser o responsável.

Os brinquedos acham que Rex é um desmancha-prazeres. Mas quando Bonnie o leva para o banho, ele consegue reverter isso e passa a ser o lendário Festa-Sauro Rex!

O Buzz Lightyear é deixado para trás em uma lanchonete quando uma versão de brinquedo de lanche infantil do Buzz toma seu lugar. Enquanto os brinquedos de Bonnie estão presos com o imitador de Buzz de 6 cm de altura, o verdadeiro Buzz está preso no restaurante em um grupo de apoio para brinquedos descartados. Enquanto Woody e sua turma elaboram uma maneira de resgatar seu amigo, o Buzz tenta escapar da reunião de psicoterapia de brinquedos.

É tempo de férias para Bonnie, que está indo para o Havaí com sua família. Os brinquedos estão animados para uma semana de folga, mas Barbie e Ken entram na mochila de Bonnie, na esperança de ir com ela para o Havaí. Porém, Bonnie deixa sua mochila em casa, para horror de Ken. Barbie revela a Woody que Ken tinha planejado lhe dar o primeiro beijo na praia ao pôr do sol. Woody, Buzz e os outros brinquedos recriam o Havaí para os dois.