故事延续第一集的情节，胡迪Woody、巴斯光年BuzzLightyear及其他玩具，依然快乐地生活在小男孩安弟Andy的房间里。
某一天，安弟准备参加夏令营，胡迪原本也希望跟着一起去，但因为手臂上的缝线破损，安弟的妈妈担心玩具进一步损坏，因此将胡迪留在家中。
不久之後，安弟的妈妈准备清理家中的旧物品，胡迪意外被放在庭院拍卖的物品中。
当胡迪发现一个被遗弃的玩具企鹅时，为了救助对方而意外落入玩具收藏家艾尔AlMcWhiggin的手中。
艾尔是一位热衷於收集珍贵玩具的收藏家，他发现胡迪其实是具有收藏价值的经典电视动画《胡迪警长》Woody''''sRoundup中的主角，因此决定将胡迪带走，准备出售到日本的玩具博物馆。
胡迪被带到艾尔的公寓後，遇见了几位来自《胡迪警长》节目的玩具角色，包括女牛仔翠丝Jessie、马匹红心Bullseye，以及矿工彼得Stie。
这些玩具告诉胡迪，他们原本是非常受欢迎的电视节目角色，但随着节目停播与太空玩具的流行，他们逐渐被人们遗忘。
胡迪也因此发现自己原来是一个具有历史价值的收藏玩具，并开始面临人生的重要选择：究竟要留在博物馆中，永远受到保存与珍惜，还是回到安弟身边，继续当一个陪伴孩子成长的玩具？
另一方面，巴斯光年与其他玩具发现胡迪失踪後，决定展开救援行动。
他们离开安弟的家，前往城市寻找胡迪，途中经历许多有趣又惊险的冒险。
最後，在巴斯光年与朋友们的帮助下，胡迪逐渐明白，玩具真正的价值并不在於收藏价格或是否永远保存完好，而是在於能够陪伴主人，带给别人快乐。
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