在《玩具總動員》之後的某天，主人安迪準備帶胡迪到牛仔俱樂部玩，但不慎將胡迪的胳膊縫線弄斷了，這讓胡迪十分憂鬱，擔心主人會將自己拋棄。不久，安迪的媽媽在家進行大掃除時準備將舊企鵝Wheezy扔掉，胡迪決定從院子把Wheezy拯救回來。當胡迪騎著小狗Buster將Wheezy救回時，自己卻被遺留在院子裡。玩具商艾耳在院子發現了胡迪，經交涉後由於無法獲得胡迪這個絕版玩具，艾耳偷走胡迪，把他帶到了他自己的玩具工廠。巴斯光年嘗試從艾耳手中拯救胡迪卻未能成功，但是玩具們獲悉胡迪就在艾耳的玩具工廠後，巴斯和彈簧狗、番薯頭先生、恐龍及豬仔錢罐火腿開始了拯救胡迪的任務。
胡迪發現玩具工廠里有很多的牛仔相關的玩具，並且他們見到胡迪後顯得十分激動。原來這些玩具都是胖玩具商搜羅來的，他們是過去一部熱門卡通片「Woody's Roundup」的人物，這裡就缺少胡迪這個主角了。為了讓胡迪明白自己的身世，他們為胡迪播放了牛仔卡通片的劇集，胡迪這才知道了自己過去的很多英雄故事，也才知道這些玩具都是當年和自己一起出道的夥伴，同時他還知道了一個他不安的消息，胖玩具商將要把他和這些牛仔夥伴一塊兒被賣到日本的一家玩具博物館去！
巴斯光年等玩具在胡迪被偷走後進行了認真分析，推斷出胖玩具商工廠的地點，於是組成了一支精幹的小分隊前往營救胡迪。在工廠里，巴斯光年也看到了成群結隊的「巴斯光年」玩具，同時還有他的死對頭。
胡迪被修葺一新，胳膊也接上了，又重新煥發出光彩。可他不想去日本，還是想回到安迪家去。然而多情的牛仔女仔傑茜極力挽留使他猶豫不絕。巴斯光年的營救隊伍終於趕到了，也就在此時，玩具商要帶著牛仔玩具去趕乘到日本的飛機。