Woody, Buzz l’Éclair et le reste des jouets reviennent dans une toute nouvelle aventure avec quelques nouveaux visages dont Ken et Barbie, le hérisson La Brosse et l’ours Lotso. Andy se prépare à partir pour l’université et Woody, Buzz, Jessie et les autres jouets se demandent ce qu’ils vont devenir. Quand ils arrivent à Sunnyside, c’est le début d’une nouvelle aventure....

Dans la chambre de la petite Bonnie, leur nouvelle propriétaire, Woody, Buzz et les autres jouets de Toy Story 3 vont offrir des vacances de rêve à Ken et Barbie. Ken a en effet complètement raté l'organisation de leur voyage à Hawaii, et la petite bande des jouets décide de leur créer de toutes pièces un séjour tropical extraordinaire dans la chambre de Bonnie, au beau milieu du Midwest et en plein hiver... (Court-métrage projeté avant le film Cars 2)...

Alors qu’ils s’attendaient à faire une virée sympa en voiture, Buzz, Woody et tous leurs amis vont connaître le pire en voyant leur route déviée vers un motel miteux. L’atmosphère sur place y est des plus pesantes. L’un des jouets disparaît même, tandis que les autres se retrouvent embringués dans une mystérieuse succession d’événements plus inquiétants les uns que les autres. Quelle cruelle destinée les attend ?...

L’aventure continue donc pour les jouets d’Andy, confiés à la petite Bonnie à la fin de Toy Story 3, en particulier à l’heure du bain. Mais quand la baignoire se vide, que faire pour passer le temps ? Une soirée mousse, bien sûr ! Et voilà que Rex, le tyrannosaure aux trop petits bras, dont se moque Buzz, Woodie et Monsieur Patate, se révèle être un véritable roi de la nuit, en particulier depuis qu’il a fait la connaissance de nouveaux copains phosphorescents !...

Buzz l'éclair se trouve abandonné par ses amis dans un fast food, il va partir à leur recherche....

Dans une salle d’arcade, Ralph la casse est le héros mal aimé d’un jeu des années 80. Son rôle est simple : il casse tout ! Pourtant il ne rêve que d’une chose, être aimé de tous… Vanellope Van Schweetz quant à elle, évolue dans un jeu de course, fabriqué uniquement de sucreries. Son gros défaut : être une erreur de programme, ce qui lui vaut d’être interdite de course et rejetée de tous… Ces deux personnages n’auraient jamais dû se croiser… et pourtant, Ralph va bousculer les règles et voyager à travers les différents mondes de la salle d’arcade pour atteindre son but : prouver à tous qu’il peut devenir un héros… Ensemble, arriveront-ils à atteindre leurs rêves ?...

...

Un étudiant défend ardemment Dieu quand un candidat à la présidence se rend dans son école......

De courageux jouets, tout droit sortis d'une valise oubliée dans un grenier, partent pour un voyage rempli de dangers et de surprises à la poursuite de leur amie. Madeleine. Cette dernière, une adorable poupée, a été capturée par La Tête, chef de l'empire du mal qui veut la maintenir sous son pouvoir....

...

Roxie chante depuis de nombreuses années et rêve d'en faire son métier. Lorsqu'elle rencontre un grand producteur qui lui propose une collaboration, elle s'imagine que la chance lui sourit enfin. Mais en acceptant de prêter sa voix pour l'enregistrement du nouvel album d'une petite star prétentieuse, elle ne se rend pas compte de la désillusion qui l'attend....

Peu de temps après Noël, Buzz, Woody et leurs amis se retrouvent sur un territoire inexploré où ils doivent faire face à une armée de Battlesaures délirants. Leur seul espoir de retourner dans la chambre de Bonnie repose alors sur le tricératops Trixie....