Andy s'apprête à entrer à l'université. Avant de quitter la maison, il doit ranger sa chambre ainsi que son coffre à jouets dans lequel se trouvent ses jouets d'enfance : Woody, Buzz, Jessie et tous leurs amis. Suite à un malentendu, ils se retrouvent dans un carton que la mère d'Andy emmène à la garderie de Sunnyside où des rencontres inattendues les attendent : des enfants déchainés et maltraitants mais surtout d'autres jouets, en plastique ou en peluche. L'accueil chaleureux qui les attend va vite tourner au cauchemar et la jolie garderie de Sunnyside va se transformer en forteresse dont ils vont vite se sentir prisonniers. Réussiront-ils finalement à s'échapper pour rejoindre Andy ? L'aventure ne fait que commencer et elle va leur réserver de nombreuses surprises...