时代背景设定在世界变动率为“1.048596%”的2019年。在这样一个机器人已经普遍实用化的未来,种子岛中央高校的“机器人研究部”八汐海翔和濑乃宫秋穂为了避免被废部,正在以“完成巨型机器人”为目标奋斗着。然而某天,海翔发现了一份名为“君岛报告”的A.R.笔记。在这份笔记里面,记录着名为君岛安科的人将会把整个世界都卷进来的大阴谋。。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的意义大相径庭时,他们很快意识到更大的威胁即将到来……。