在遥远的未来，一座巨型高科技成人乐园Delos建成，其中有西部世界，罗马世界，中世纪世界三大主题版块的机器人世界，它提供给游客杀戮与性欲的满足，而这座巨大机械乐园的后台监控渐渐失去了对机器人的控制，游客被机器人杀死，所有想逃离者都被锁定……...

胡迪深知自己在这个世界上的使命，就是照顾他的主人，无论是原来的安迪还是新主人邦妮。当邦妮将不情愿成为玩具的“叉叉”带回家时，胡迪又担起了教导叉叉接受自己新身份的责任。然而当邦妮将所有玩具带上房车家庭旅行时，胡迪与伙伴们将共同踏上全新的冒险之旅，领略房间外面的世界有多广阔，甚至偶遇老朋友牧羊女。在多年的独自闯荡中，牧羊女已经变得热爱冒险，不再只是一个精致的洋娃娃。正当胡迪和牧羊女发现彼此对玩具的使命...