距上一次的冒险已经过去11个年头,转眼间安迪(约翰·莫里斯 John Morris 配音)变成了17岁的阳光男孩。这年夏天,安迪即将开始大学生活,他必须将自己的房间收拾整齐留给妹妹。此前,伍迪(汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音)与巴斯光年(蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音)等玩具一直期待安迪再和他们玩耍,但是随着岁月的流逝,他们被冷落在箱子里很久了。安迪十分珍惜这些童年的玩伴,于是准备将他们收在阁楼。谁曾想,妈妈却把玩具们当作废物扔到街道上。玩具们误解了安迪,于是愤然出走,宁可被捐赠到阳光之家幼儿园。
伍迪尽力劝解大家,却收效甚微,只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为将重新回到往昔的快乐时光,不料却陷入一场阴谋之中……
超级坏蛋格鲁(史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音)在听说埃及金字塔被盗的新闻后不满市面上新贼辈出,决定在纳法利欧博士(拉塞尔·布兰德 Russell Brand 配音)的帮助下建造火箭升空盗取月亮。在向坏蛋银行贷款的过程中,格鲁盗取的收缩射线枪被新贼维克托(杰森·席格尔 Jason Segel 配音)抢走。为了夺回收缩射线枪,格鲁决定领养三位孤儿——玛戈(米兰达·卡斯格拉夫 Miranda Cosgrove 配音)、伊迪丝(达娜·盖伊 Dana Gaier 配音)和阿格蕾丝(埃尔希·费舍 Elsie Fisher 配音),利用她们进入维克托的城堡兜售饼干的机会实施偷盗,计划成功后再偷偷处理掉三个小孩。然而在平凡的日常相处中,格鲁却发现自己越来越离不开这三个小鬼,但这样的感情用事却将严重影响周密的盗月计划……