影片设定在一个由精灵、巨魔和灵魂等组成的郊外幻想世界，在那里独角兽在垃圾桶中穿行，像是有着糖果条纹的负鼠。影片提供了一个前提，即魔法是真实的，但它早已被现代技术所遗忘和取代。一对十几岁的兄弟，在他们尚不更事时父亲便已离世，他们决定进入这个幻想世界，与父亲共度最后一个神奇的日子。霍兰德配音弟弟伊安、帕拉特配音聒噪的哥哥、德瑞弗斯配音兄弟二人的母亲、斯宾瑟则会利用其声线的优势。

又是一年圣诞节到来，邦妮在摆放着圣诞树的房间里和伙伴们玩耍，玩具们乐得和小主人玩耍，但是三角龙崔茜（克里斯汀·沙尔 Kristen Schaal 配音）似乎对自己不被当作恐龙看待多有不满。少顷，妈妈喊邦妮一起去梅森家过节，邦妮匆匆将伍迪、巴斯光年、雷克斯、崔茜以及新来的天使Kitty猫塞入包中后出发。到了梅森家，邦妮惊讶地发现这个男孩正沉湎于电子游戏中，稍作迟疑后，她便将书包丢到了梅森的玩具房。伍迪他们爬了出来，发现这里仿佛是失落了已久的玩具世界。未过多久，他们进入了一个全部由恐龙战士组成的王国。以恐龙将军（凯文·麦克基德 Kevin McKidd 配音）为首的战士们脑子里只有战斗和侵略，似乎忘记了作为玩具的使命。
崔茜她们更被逼迫参加角斗搏杀……

在一个风雨交加的夜晚，邦妮（艾米丽·哈恩 Emily Hahn 配音）跟随妈妈行驶在漫长的公路上。后备箱内，邦妮的宝贝玩具牛仔胡迪（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音）、巴斯光年（蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音）、杰西（琼·库萨克 Joan Cusack 配音）等围坐在一起看恐怖电影打发无聊时光。突然，汽车意外爆胎，邦妮母女只得在一家名为“好梦”（SleepWell）的汽车旅馆歇脚，等待第二天救援车的到来。夜深人静，玩具们纷纷外出探险，可当他们再聚拢一起的时候，却发现蛋头先生不见了踪影。胡迪他们分头寻找，然而在这一过程中，伙伴们一个个离奇消失。
恐怖片的情节变成了现实，而有着幽闭恐惧症的杰西不知不觉肩负起营救伙伴们的重任……

自从上一集牛仔伍迪救回巴斯光年之后，他一直和其他玩具一起快乐的生活在小主人家。一次，小主人参加夏令营去了，伍迪因为破旧而没被带去。留在家里的伍迪恰巧被一个玩具收藏家发现了，认为他是近代最具代表性的玩具。于是将伍迪被偷了出来放在颇富盛名的文化博物馆内展览。在家里所有的玩具 都很担心伍迪，因此巴斯光年自告奋勇去寻找伍迪，但是当他们发现伍迪在展览馆时， 伍迪却似乎不再愿意回去过那平凡的生活……

小主人家境富裕，拥有一屋的玩具。其中他最爱的是牛仔玩偶胡迪，胡迪因此成为众玩具的“老大”。当小主人出门在外时，一屋的玩具自成世界，过着自己的生活。一天，小主人带回了一个新的玩意：太空战警巴斯光年。巴斯光年长相新奇，功能先进，令小主人爱不释手，威胁到了胡迪的地位。胡迪千方百计要赶走巴斯，一不小心二人一起掉出了房间窗口外，邻居的恶狗在狂吠，邻居的小孩是一个玩具虐待狂，胡迪巴斯能不能化敌为友，消灾解难？

在一次挖地超人制造的大混乱中，超人家庭大力神巴鲍伯（格雷格·T·尼尔森 Craig T. Nelson配音）和弹力女超人巴荷莉（霍利·亨特 Holly Hunter 配音）和他们的子女巴小倩（莎拉·沃威尔 Sarah Vowell 配音）、巴小飞（赫克·米尔纳 Huck Milner 配音）使出浑身解数，然而不仅不能抓住狡猾的敌人，而且还因为对城市破坏太大而导致失去了政府的支持。此后不久，电信集团大亨温斯顿·狄弗（鲍勃·奥登科克 Bob Odenkirk 配音）通过酷冰侠鲁休斯（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 配音）找到鲍伯一家，希望将该公司的前沿技术应用到超人身上，更好地维护世界和平。可是狄弗只希望雇佣荷莉，偏偏荷莉大展雄风，成为了所有超人族群的偶像，这可令担任奶爸的鲍伯心有不甘。
而就在此时，神秘对手悄然出现，似乎正试图摧毁荷莉他们所建立的新和平……

鲍勃是一个超人特工，他惩恶扬善，深受街坊邻里的爱戴。“不可思议”先生就是他的光荣外号。他和另一个超人特工“弹力女超人”相爱，两人结婚后过上平静的生活。
15年过去了，鲍勃已经像普通人一样生活，当上了保险公司的理赔员。然而他心中还是有着技痒之时。当他知道有发明家要展开攻击超人特工队、毁灭人类的计划，鲍勃终于按捺不住了。他要重出江湖，挽救人类护卫地球。但中年的超人已经大腹便便，他和敌人的斗争充满了悬念。鲍勃的妻子也跟丈夫一起投入到这场艰巨的战争中。

热爱音乐的米格尔（安东尼·冈萨雷兹 Anthony Gonzalez 配音）不幸地出生在一个视音乐为洪水猛兽的大家庭之中，一家人只盼着米格尔快快长大，好继承家里传承了数代的制鞋产业。一年一度的亡灵节即将来临，每逢这一天，去世的亲人们的魂魄便可凭借着摆在祭坛上的照片返回现世和生者团圆。
在一场意外中，米格尔竟然穿越到了亡灵国度之中，在太阳升起之前，他必须得到一位亲人的祝福，否则就将会永远地留在这个世界里。米格尔决定去寻找已故的歌神德拉库斯（本杰明·布拉特 Benjamin Bratt 配音），因为他很有可能就是自己的祖父。途中，米格尔邂逅了落魄乐手埃克托（盖尔·加西亚·贝纳尔 Gael García Bernal 配音），也渐渐发现了德拉库斯隐藏已久的秘密。