1944年,德国纳粹战败前夕。为保护人类所共有的艺术瑰宝免遭恶意损毁,罗斯福总统授意成立一支盟军夺宝队,该队伍由弗兰克·斯托克教授(乔治·克鲁尼 George Clooney 饰)领军,网罗了詹姆斯·格兰杰(马特·达蒙 Matt Damon 饰)、理查德·坎贝尔(比尔·默瑞 Bill Murray 饰)、沃尔特·加菲尔德(约翰·古德曼 John Goodman 饰)等散落在各界的艺术领域精英人才。德国人全线溃逃,夺宝队一路追踪,挽救了不少珍贵文物。当他们抵达巴黎时,见到了曾在德国人麾下管理艺术品的法国国家博物馆雇员克莱尔·西蒙(凯特·布兰切特 Cate Blanchett 饰),在她的协助下得以令无数的瑰宝物归原主。这是一场关系着人类遗产的战争,争分夺秒,不容喘息……
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……