A aventura de ação e ficção científica apresenta a história de origem definitiva de Buzz Lightyear - o herói que inspirou o brinquedo - apresentando o lendário Space Ranger que conquistaria gerações de fãs.

Amigável, porém esquecida, Dory começa uma busca por seus pais há muito perdidos, e todo mundo aprende alguma coisa sobre o real significado da família ao longo da jornada.

Os brinquedos partem em uma viagem juntamente com Bonnie, mas um evento inesperado faz com que todos parem em um hotel de beira de estrada. Quando um dos brinquedos simplesmente desaparece, Woody, Buzz e toda a turma precisam enfrentar o medo do desconhecido para encontrá-lo.

O Buzz Lightyear é deixado para trás em uma lanchonete quando uma versão de brinquedo de lanche infantil do Buzz toma seu lugar. Enquanto os brinquedos de Bonnie estão presos com o imitador de Buzz de 6 cm de altura, o verdadeiro Buzz está preso no restaurante em um grupo de apoio para brinquedos descartados. Enquanto Woody e sua turma elaboram uma maneira de resgatar seu amigo, o Buzz tenta escapar da reunião de psicoterapia de brinquedos.