Saat Bonnie menerima tablet Lilypad sebagai hadiah dan mulai kecanduan memainkannya, Woody, Buzz, Jessie, dan teman-temannya harus menghadapi ancaman baru yang membuat waktu bermain mereka perlahan terlupakan.
Film dibuka di sebuah pulau, tempat banyak action figure Buzz Lightyear berteknologi tinggi terdampar setelah tersapu ombak. Salah satu dari mereka tiba-tiba aktif, lalu membangunkan Buzz-Buzz lainnya. Karena mengikuti program bawaan mereka, semua Buzz itu percaya bahwa mereka benar-benar Space Ranger. Ketika melihat sebuah bintang di langit, mereka menganggapnya sebagai Star Command dan menjadikannya tujuan utama.
Dalam kilas balik, kita melihat Jessie saat masih dimiliki oleh Emily, anak pertamanya. Di masa sekarang, Jessie menjadi pemimpin mainan-mainan Bonnie. Bersamanya ada Buzz, Rex, Hamm, Slinky, Mr. dan Mrs. Potato Head, Bullseye, Dolly, Trixie, Mr. Pricklepants, Forky, serta Karen Beverly.
Bonnie sedang bermain dan membuat cerita bahwa Forky dan Karen Beverly akan menikah, sementara Rex yang menjadi pendamping pengantin ternyata diracuni. Di sisi lain, Bonnie juga mencoba berteman dengan tetangga kembarnya, tetapi ia terlalu pemalu untuk mendekat.
Jessie dan Bullseye kemudian melihat bahwa anak-anak kembar itu lebih sibuk bermain tablet. Dari mainan-mainan yang dibuang di sekitar lingkungan, Jessie mengetahui bahwa hampir semua anak di kota sudah beralih ke elektronik. Hanya Bonnie yang masih bermain dengan mainan, meski ia juga kesulitan mendapat teman baru.
Tak lama kemudian, orang tua Bonnie membelikannya sebuah tablet bernama LilyPad, atau Lily. Bagi para mainan, kehadiran Lily terasa seperti ancaman besar.
Begitu Bonnie meninggalkan kamar, Jessie mencoba menginterogasi Lily. Para mainan kagum melihat betapa canggihnya Lily, tetapi tablet itu punya sikap sombong dan merendahkan. Dengan cepat, Lily menggunakan programnya untuk menghubungi beberapa anak perempuan di kelas tari Bonnie dan mengatur jadwal playdate hanya dalam hitungan detik.
Malamnya, Jessie mulai gelisah. Kedatangan Lily mengingatkannya pada masa lalunya bersama Emily, ketika ia akhirnya ditinggalkan, diberikan, atau disimpan begitu saja. Dengan walkie-talkie, Jessie menghubungi Woody, yang kini masih bersama Bo, Duke Caboom, Giggle, Ducky, dan Bunny dalam membantu mainan-mainan tersesat.
Saat itu, Woody baru saja menyelamatkan mainan kecil bernama Dr. Nutcase, yang merasa hidupnya sudah tamat karena teknologi telah mengambil alih dunia anak-anak. Jessie menceritakan ketakutannya kepada Woody, tetapi ia menyembunyikan walkie-talkie itu dari Buzz. Woody salah menangkap maksud percakapan mereka dan mengira Jessie sedang meminta bantuannya, sehingga ia memutuskan kembali ke rumah Bonnie.
Bonnie bersiap untuk menginap di rumah teman. Jessie dan Bullseye diam-diam menyelinap ke dalam tasnya, meski Lily memperingatkan bahwa Bonnie akan terlihat buruk jika datang membawa mainan. Saat Bonnie bertemu Chelsea, Kara, dan Heidi, ketiga anak itu sedang sibuk dengan tablet masing-masing. Mereka tertawa melihat Bonnie membawa Jessie dan Bullseye. Karena malu, Bonnie cepat-cepat meninggalkan kedua mainan itu di mobil ayahnya dan memilih membawa Lily.
Jessie dan Bullseye melompat keluar dari mobil ayah Bonnie dan berakhir di jalan. Mereka ditemukan oleh sepasang lansia yang melihat alamat rumah lama Emily tertulis pada tubuh Jessie. Pasangan itu memasukkan Jessie dan Bullseye ke kotak surat agar dikembalikan. Namun Jessie berhasil keluar.
Mereka kemudian menemukan seekor kuda bernama Daffodil dan mencoba menungganginya untuk kembali ke kota. Namun Daffodil justru membawa Jessie dan Bullseye menuju sebuah rumah dengan lumbung. Di sana, Bullseye ditemukan oleh seorang gadis bernama Blaze, sementara Jessie tertinggal di luar.
Sementara itu, Woody kembali dan bertemu lagi dengan teman-teman lamanya setelah Bo dan Duke mengantarnya. Ia dan Buzz sempat berselisih kecil soal siapa yang sebenarnya menjadi wakil Jessie.
Jessie bertemu babi peliharaan Blaze bernama Jimmy Dean dan mencoba membujuknya agar membawanya masuk ke dalam rumah. Jimmy Dean memang membawanya masuk, tetapi ke rumah boneka plastik berisi mainan-mainan lama Blaze. Tanpa sengaja, Jessie membangunkan Smarty Pants, sebuah perangkat elektronik untuk latihan toilet yang dulu menjadi gadget pertama milik Blaze. Karena sejak kedatangannya banyak mainan merasa tersisih, mainan lain tidak terlalu menyukainya.
Smarty meyakinkan Jessie agar ia boleh ikut ketika Jessie mencoba masuk ke rumah untuk menyelamatkan Bullseye.
Di tempat lain, pasukan Buzz terus bergerak melintasi daratan. Mereka menemukan sebuah derek yang menunjuk ke arah Bintang Utara, dan mereka mengira itu adalah petunjuk menuju Star Command. Mereka masuk ke hutan, tetapi salah satu Buzz tertinggal dan ditemukan oleh dua bersaudara yang sedang berkemah bersama orang tua mereka.
Di rumah Blaze, Smarty meminta Jessie mengganti baterainya karena ia tampak seperti mabuk akibat baterai lemah. Setelah itu, Jessie juga membantu dua teman Smarty yang sama-sama perangkat elektronik: Atlas, alat GPS berbentuk kuda nil, dan Snappy, kamera bicara. Ketiganya dulu pernah menjadi bagian singkat dari fase hidup Blaze sebelum akhirnya disimpan.
Jessie sebenarnya enggan, tetapi akhirnya membiarkan mereka ikut. Mereka berhasil sampai ke kamar Blaze, yang membuat Jessie terkejut karena kamar itu dulu adalah kamar Emily. Di sana, Jessie menemukan Bullseye yang sudah berteman dengan koleksi mainan kuda milik Blaze.
Jessie awalnya ingin segera membawa Bullseye pulang. Namun ketika Blaze kembali ke kamar, mereka melihatnya membaca pesan dari teman sekelas yang membatalkan janji bermain. Blaze tampak kecewa. Melihat Blaze yang manis, lucu, dan penuh imajinasi, Jessie mulai berpikir bahwa Blaze bisa menjadi teman yang sempurna untuk Bonnie.
Sementara itu, Bonnie pulang ke rumah dalam suasana hati buruk. Lily memberi tahu para mainan bahwa anak-anak lain tadi bermain petak umpet dan “lupa” mencari Bonnie. Woody dan Buzz mencoba menghadapi Lily, tetapi Lily mengirim pesan kepada ayah Bonnie agar para mainan dipindahkan ke garasi. Sebagian mainan akhirnya dimasukkan ke kotak, meski Woody dan Buzz berhasil menghindar. Mereka lalu bersembunyi, menunggu Bonnie tidur agar bisa mencabut charger Lily dan membuat baterainya lemah keesokan pagi.
Jessie meyakinkan perangkat-perangkat Blaze untuk membantunya mengatur pertemuan antara Bonnie dan Blaze. Snappy mengambil foto Jessie dan Bullseye, lalu menggunakan Smarty untuk mengirim pesan kepada Bonnie agar datang menjemput mereka, dengan Atlas memberikan arah.
Di rumah Bonnie, Lily terbangun dalam keadaan lemas karena baterainya hampir habis. Woody dan Buzz mencoba memaksanya memberi tahu apa yang terjadi pada Jessie dan Bullseye. Mereka menemukan bahwa perintah “Hey Lily” membuat Lily mengikuti instruksi apa pun yang diberikan. Mereka juga melihat pesan dari perangkat Blaze. Namun dalam kekacauan kecil yang terjadi, pesan itu justru terkirim ke semua kontak Bonnie.
Ibu Bonnie melihat pesan itu, dan Bonnie pun sadar bahwa Jessie dan Bullseye hilang.
Di perkemahan, pasukan Buzz datang untuk menyelamatkan rekan mereka yang tertinggal. Namun mereka melihat bahwa Buzz itu bahagia bersama dua anak yang menemukannya, sehingga mereka membiarkannya tinggal. Mereka lalu melihat laptop di dekat sana yang menampilkan pesan dari Smarty. Tanda lokasi di peta membuat mereka yakin bahwa itulah Star Command, dan bahwa Jessie adalah pemimpinnya.
Di rumah Blaze, Blaze menemukan Jessie dan mulai bermain dengannya. Ia bahkan membuat Bullseye bisa bicara dalam cerita mainannya. Blaze kemudian melihat Smarty, Atlas, dan Snappy, lalu memasukkan mereka ke dalam skenario film mata-mata. Untuk pertama kalinya setelah lama disimpan, perangkat-perangkat itu merasa senang karena kembali dimainkan.
Ibu Bonnie kemudian mengantar Bonnie ke rumah Blaze untuk menjemput mainannya. Woody dan Buzz ikut menumpang di mobil. Sayangnya, pesan yang terkirim juga dilihat oleh Chelsea, Kara, dan Heidi. Mereka mengejek Bonnie di grup chat, membuat Bonnie sangat malu. Ketika sampai di rumah Blaze, Bonnie menolak mengambil Jessie dan Bullseye.
Woody dan Buzz melihat kejadian itu dengan tidak percaya. Jessie dibawa kembali ke kamar Blaze. Dalam kekecewaannya, Jessie membentak perangkat-perangkat itu sebelum pergi dengan menunggangi Daffodil. Bullseye mengejarnya.
Ibu Bonnie akhirnya mengetahui apa yang membuat putrinya sedih, lalu mengajaknya berhenti membeli es krim. Sementara itu, Lily merasa bersalah karena telah gagal membantu Bonnie. Ia memasukkan dirinya sendiri ke kotak donasi, yang kemudian diambil oleh truk.
Pasukan Buzz tiba di rumah Blaze dan menangkap Woody, mengira ia musuh. Namun Buzz utama meyakinkan mereka bahwa Woody adalah sekutu. Mereka lalu menggunakan koleksi mainan kuda Blaze untuk mengejar Jessie.
Jessie pergi ke pohon tua tempat Emily dulu sering bermain ayunan bersamanya. Bullseye menyusulnya, tetapi Jessie masih merasa gagal karena tidak bisa membantu Bonnie. Tak lama kemudian, ia melihat ukiran di pohon bertuliskan “Jessie was here”. Di bawahnya, ia menemukan kotak makan yang dijadikan kapsul waktu, berisi benda-benda dari masa setelah Jessie tidak lagi bersama Emily.
Di dalam kotak itu, Jessie menemukan foto Emily yang sudah dewasa bersama putrinya. Yang membuat Jessie terharu, anak perempuan itu diberi nama Jessie. Saat itulah Jessie sadar bahwa ia tetap punya tempat istimewa dalam hidup Emily, meski mereka sudah lama berpisah. Perasaan itu membuatnya kembali kuat.
Woody, Buzz, pasukan Buzz, dan perangkat-perangkat Blaze akhirnya menyusul Jessie. Jessie meminta maaf kepada perangkat-perangkat itu. Mereka kemudian menghubungi Lily, yang menyesal karena tidak mendengarkan Jessie dan malah memperburuk keadaan Bonnie.
Jessie lalu menawarkan rencana untuk memperbaiki semuanya: mereka harus membantu Bonnie dan Blaze menjadi teman.
Dengan bantuan perangkat-perangkat lain, Jessie memimpin para mainan melacak Lily. Setelah berhasil menemukannya, mereka mengirim pesan kepada Blaze seolah-olah dari Bonnie, agar Blaze datang mengembalikan Jessie dan Bullseye. Lily kemudian terhubung secara elektronik dengan pasukan Buzz dan meningkatkan kemampuan mereka, membuat para Buzz bisa mengeluarkan baling-baling untuk terbang serta membawa mainan dan perangkat pulang.
Sebelum mereka kembali, Buzz melamar Jessie. Keduanya akhirnya berciuman.
Blaze dan ibunya tiba di rumah Bonnie. Awalnya Bonnie masih sempat menolak Jessie dan Bullseye, tetapi Blaze menceritakan betapa serunya bermain dengan mereka. Bonnie pun berubah pikiran. Dengan cepat, Bonnie dan Blaze mulai akrab karena imajinasi dan kekonyolan mereka yang sama-sama kuat.
Bonnie dan Blaze kemudian membuat acara “pernikahan” untuk Buzz dan Jessie, lengkap dengan skenario dramatis bahwa Buzz ternyata berselingkuh dengan Trixie. Woody kembali berpamitan kepada teman-temannya, sampai petualangan berikutnya memanggilnya lagi. Bahkan anak-anak kembar tetangga akhirnya ikut bergabung dalam permainan mereka.
Saat kredit bergulir, terlihat persahabatan Bonnie dan Blaze tumbuh semakin erat. Sementara itu, para Buzz berteknologi tinggi akhirnya sampai di sebuah taman bermain dan dimainkan oleh anak-anak lain, bahkan seorang guru. Namun mereka tiba-tiba terkejut ketika melihat musuh lama sekaligus sosok yang mereka anggap ayah: action figure Emperor Zurg.
