※（ ）内は備考及び声優名（原語版/日本語吹き替え版）。日本語吹き替え版の声優名が書かれていないものは原語版流用前作の冒険で、共に危機を脱して「アンディのお気に入りのおもちゃ」として固い友情を誓ったウッディ（トム・ハンクス/唐沢寿明）とバズ・ライトイヤー（以下「バズ」と表記、ティム・アレン/所ジョージ）は、いつものようにアンディ少年（ジョン・モリス/北尾亘）に楽しく遊んでもらっていた。今ではアンディ少年の利口な飼い犬バスター（フランク・ウェルカー）も、おもちゃたちの良い友達である。だが、そんなおもちゃたちには実は秘密があり、本当は人間が見ていないときは自由に歩き回ったりおもちゃ同士でおしゃべりしたりする。これは「絶対に人間に知られてはいけないおもちゃたちのルール」なのである。そんなある日、ウッディの右肩の糸がほつれて綿がはみ出してしまった。カウボーイ・キャンプにウッディを連れて行こうとしていたアンディは落胆し、ひとりでキャンプに出かけるが、ウッディは連れていってもらえなかったことを深く落ち込む。挙句には自分がアンディに捨てられる悪夢まで見る始末。そんな矢先にガレージセールで不要品を売る事になり、アンディの部屋からは長らく棚の上に忘れられ、その上ホコリを被ってしまい鳴けなくなっていたペンギン人形ウィージー（ジョー・ランフト/佐古正人）が売りに出される事に。おもちゃ仲間が売りに出されたウィージーを心配する中、ウッディはほつれた体をおしてバスターを駆り、ウィージーを救出する作戦を決行する。だが入れ違いにウッディがガレージセールの列に取り残されてしまった。おまけにたまたまガレージセールを見に来ていたおもちゃマニアで玩具量販店「トイ・バーン」経営者アル（ウェイン・ナイト/樋浦勉）に見つけられ、ウッディを譲ってほしいとママ（ローリー・メトカーフ/小宮和枝）に交渉するが、ママは売るのを拒否した。しかし、アルは隙を突き、ウッディを強奪してしまう。このままではウッディが日本のおもちゃ博物館に売り飛ばされてしまう。バズたちアンディのおもちゃは、盗まれてしまったウッディを救出するべく行動を開始した。一方、アルの自宅に連れてこられたウッディは驚く秘密を知る。彼は白黒テレビの時代には絶大な人気を誇りながら、スプートニク・ショックのあおりを受けて打ち切りとなったカウボーイ・ドタバタ人形劇『ウッディのラウンドアップ』の主役で、今では数少ないキャラクターグッズだった。往年の人気番組だけあって、ランチボックスやレコード・ラジオといった様々な関連グッズが揃い、また同じ人形劇内に登場していた人形仲間であるお転婆カウガール人形ジェシー（ジョーン・キューザック/日下由美）や、ちょっとそそっかしい金鉱掘りプロスペクター（ケルシー・グラマー/小林修）、そしてウッディ、ジェシーの愛馬であるブルズアイ（フランク・ウェルカー）とも出会ったウッディは、ただただ呆然と自分の「レアグッズ」としての価値を認識する。そしてウッディを加えた「ラウンドアップの仲間」は、近い内に日本のおもちゃ博物館に売却され、永久保存されるのだという。しかし、ウッディは持ち主がいるので行けないと断る。それを聞いたジェシーたちは「セットでないと倉庫に逆戻りにされてしまう」という。ウッディは戸惑ってしまう。翌日、ウッディはアルの手配したおもちゃの修理職人に丁寧に修復され、長い間に落ちた塗装は塗り直され、汚れはきれいにされて、ピカピカの新品同様になる。嬉しそうなウッディにジェシーは自分の過去を語る。ウッディと同じように持ち主に大切にされたが、やがて持ち主が成長してベッドの下に忘れ去られ、そのまま捨てられた後、ガレージセールで売りに出された過去を述べていた。プロスペクターに至ってはおもちゃ屋の棚で売れ残ってしまった事からすっかり心を閉ざしてしまっていた。そして、「アンディは大人になるが、止められない。日本の博物館に行けば、ラウンドアップの仲間たちは永遠に一緒だ」とウッディを説得する。それにウッディは同情して、自分も博物館に行くことを決意する。一方、ウッディを助けに来たアンディのおもちゃ達はアルのトイ・バーンでウッディを探していた。その途中でバズがアクションベルト付きのニュー・バズに捕まり、成り代わられてしまった。一同が混乱する中、ようやくアルの自宅にたどり着き、ウッディと再開したアンディのおもちゃ達は本物のバズと遭遇する。本物のバズはウッディに帰るように言うが、ウッディはラウンドアップの仲間を見捨てたくないと言う。それを聞いてバズたちはウッディに愛想を尽かし、帰ってしまう。途方に暮れたウッディがビデオを見ると、そこには歌っている途中で子供に抱きしめられている自分の姿が。それを見たウッディは自分の過ちに気付き、帰ることを決意し、ラウンドアップのみんなを連れて一緒に帰ることを選んだ。しかし、プロスペクターは反対だった。誰よりも博物館に展示されていることを望んでいた彼は「誰にも邪魔はさせんぞ」と言い放つ。そして、プロスペクターはウッディを無理やり箱に入れると、そのままアルに連れていかれてしまった。バズたちもエレベーターに乗ってウッディを追うが、そこには悪の帝王・ザーグが待ち構えていた。ニュー・バズがザーグに苦戦しているのを見たレックスは、ザーグをエレベーターから突き落としてしまった。バズのゲームでザーグを倒せられなかったレックスは、本物を倒したと大喜び。一方、バズたちはあと一歩のところで、ウッディを救出できずにいた。そこで彼らは近くにあった、ピザ・プラネットの車を運転して追いかけようとした。バズはニュー・バズを誘おうとするが、彼はザーグと親子のように仲良くしていたため（実際、設定ではバズの父親はザーグである事がザーグ本人から明かされている）、その場をあとにした。なんとか飛行場に着いたバズたちは飛行場内でウッディを捜索する。ようやくウッディを見つけたバズだったが、プロスペクターに殴り倒されてしまう。怒ったウッディはプロスペクターに殴りかかるも逆にやられ、せっかく直してもらったばかりの腕に傷をつけられてしまう。プロスペクターは「バラバラにされるのが嫌ならついていくか」とウッディを脅すが、ウッディは断った。プロスペクターはウッディにツルハシを振り下ろそうとするが、バズたちのフラッシュ攻撃に怯んで、バズに捕まってしまった。プロスペクターは「いつか捨てられる」と悪あがきをするが、ウッディは「なんとでも言え、お前にも遊びの楽しさを教えてやる」とプロスペクターを、人形に落書きをする女の子のリュックに入れてしまった。プロスペクターを追い払ったウッディたちはブルズアイとジェシーを助けようとするが、一足遅くジェシーだけがそのままエアカーゴの中へ。ウッディとバズはブルズアイに乗り、エアカーゴまで走っていった。ジェシーの入った箱は他の荷物と共に飛行機内へ。ウッディも荷物に紛れて、飛行機に入ることに成功する。ウッディはジェシーを見つけて帰ろうとするが、ジェシーは嫌われると不安がっていた。しかし、ウッディからアンディに妹がいると聞かされて、上機嫌のジェシーは早速飛行機から降りようとするが、飛行機のドアは閉まってしまった。そこで彼らは非常口から出ようとするが、ウッディが足を滑らせて落ちそうになり、ジェシーはウッディの腕を掴むが、ウッディは帽子を落としてしまった。その時、帽子をキャッチしたのはブルズアイに乗ったバズだった。飛行機が離陸する前になんとかしなくては。そこでウッディはバズを飛行機の車輪の後ろに誘導させ、背中の紐を車輪のネジに引っ掛けた。ウッディはジェシーに「番組の最終回だと思えばいい」と言うが、ジェシーは「打ち切りになったままよ、どうなるのかもわからないのに」と言い返す。そんな彼女にウッディは「俺たちで続きを作ろう」と言うと、ジェシーは決心して飛び降りた。ウッディとジェシーはブルズアイの上に見事着地。飛行機は彼らが降りていることも知らずに、飛び去っていった。ジェシーはウッディの活躍に感激し、そのままアンディの家に帰っていった。アンディがキャンプから帰って来た。ウッディを心配していたアンディが棚の上を覗くと、そこにはウッディはいなかった。そして、振り向くとベッドには「おかえりアンディ」と書かれたボードとおもちゃたちがアンディを待っていた。アンディはママが新しいおもちゃを購入したと勘違いしながらも喜び、ジェシーとブルズアイもアンディのおもちゃの仲間入りになって喜んでいた。ウッディの破れた腕はアンディによって修理されていた。ウッディも一安心。一方、ミスター・ポテトヘッドもミセスとラブラブだった。しかし、最悪なことにピザ・プラネットのエイリアンたちまでついてきてしまい、さらにミセスは「この子を私たちの子にしましょう」と提案し、ミスターは呆れかえってしまった。さらにウィジーが修理され、普段とは違う男らしい声で歌い出した。ウッディはアンディの将来を心配していたが、バズと共にアンディを見守ることにした。そして、アンディのおもちゃたちはウィジーの歌を聞いて盛り上がっていた。