Câu Chuyện Đồ Chơi 3 xoay quanh cuộc sống của cậu bé Andy khi trưởng thành và sắp bước vào đại học. Những món đồ chơi thân yêu của Andy, bao gồm Woody và Buzz Lightyear, bị đưa vào nhà kho. Trước khi chúng có thể bị lãng quên trên gác mái, bố mẹ Andy vô tình ném chúng đi.
Những món đồ chơi này tìm đến Sunnyside, một trung tâm vui chơi dành cho trẻ em. Tại đây, chúng trở thành “đồ chơi mới” và lũ trẻ lập tức xông vào tranh giành. Trong số đó có Ken, Barbie, ông Đầu khoai tây và Buzz Lightyear.
Woody và các bạn phải tìm cách tồn tại trong môi trường mới và đồng thời tìm cách quay trở lại ngôi nhà thân thương của Andy. Trên hành trình trở về, họ trải qua nhiều chuyến phiêu lưu thú vị.
Cuối cùng, những món đồ chơi quay trở về nhà, kết thúc hành trình với một đoạn kết cảm động, khiến người xem không cầm được nước mắt trước tình cảm gắn bó giữa Andy và những món đồ chơi của mình.