自从上一集牛仔伍迪救回巴斯光年之后，他一直和其他玩具一起快乐的生活在小主人家。一次，小主人参加夏令营去了，伍迪因为破旧而没被带去。留在家里的伍迪恰巧被一个玩具收藏家发现了，认为他是近代最具代表性的玩具。于是将伍迪被偷了出来放在颇富盛名的文化博物馆内展览。在家里所有的玩具 都很担心伍迪，因此巴斯光年自告奋勇去寻找伍迪，但是当他们发现伍迪在展览馆时， 伍迪却似乎不再愿意回去过那平凡的生活……

　　小主人家境富裕，拥有一屋的玩具。其中他最爱的是牛仔玩偶胡迪，胡迪因此成为众玩具的“老大”。当小主人出门在外时，一屋的玩具自成世界，过着自己的生活。一天，小主人带回了一个新的玩意：太空战警巴斯光年。巴斯光年长相新奇，功能先进，令小主人爱不释手，威胁到了胡迪的地位。胡迪千方百计要赶走巴斯，一不小心二人一起掉出了房间窗口外，邻居的恶狗在狂吠，邻居的小孩是一个玩具虐待狂，胡迪巴斯能不能化敌为友，消灾解难？

　　距上一次的冒险已经过去11个年头，转眼间安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）变成了17岁的阳光男孩。这年夏天，安迪即将开始大学生活，他必须将自己的房间收拾整齐留给妹妹。此前，伍迪（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音）与巴斯光年（蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音）等玩具一直期待安迪再和他们玩耍，但是随着岁月的流逝，他们被冷落在箱子里很久了。安迪十分珍惜这些童年的玩伴，于是准备将他们收在阁楼。谁曾想，妈妈却把玩具们当作废物扔到街道上。玩具们误解了安迪，于是愤然出走，宁可被捐赠到阳光之家幼儿园。
　　伍迪尽力劝解大家，却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为将重新回到往昔的快乐时光，不料却陷入一场阴谋之中……

　　自从赢得世界大赛之后，农用飞机“尘土”已经成为尽人皆知的草根冠军。可是有一天在练习时，他的身体发现异样。经检查后得知他的变速箱出了问题，该型号变速箱由于老旧已经停产，这也意味着尘土再也无法参加激烈的比赛。一天夜里，不甘失败的尘土继续挑战极限，结果引发弯角服务站机场加油站的大火。虽然侥幸扑灭火灾，但是由于机场安全消防措施不过关，面临着被关闭的命运。眼看就到了机场玉米节狂欢，在场的每一个人都提心吊胆。感觉负主要责任的尘土主动要求参加消防员的培训，在此之后他结识了有着丰富丛林火灾扑灭经验的刀锋、乘风者、北斗星等新伙伴。
　　一切从零开始，命运发生转折的尘土迎难而上……

　　5岁的女孩莉萝一直梦想养一只宠物狗，这天她终于得偿所愿，在姐姐的帮助下收养了一只流浪小狗，并帮他取名史迪奇。其实史迪奇并不是什么流浪狗，他是外太空的危险分子，长有六条腿，在流放中偷跑到了地球。为了隐瞒身份，史迪一直将他的另外两只脚藏起来，外表和其他的小狗一样。在朝夕相处中，史迪奇和莉萝慢慢建立了深厚的感情。然而此时，追捕史迪奇的外星人发现了史迪奇藏身地球，为了逼他就范，他们绑架了莉萝。为了救回好朋友，史迪奇决定尽力一拼！

　　5岁女孩莉萝在姐姐的帮助下收留了一只流浪狗，她给这只狗起名叫史迪仔，并希望史迪仔能够给自己的生活增添一份乐趣。但是莉萝万万没有想到的是，史迪仔并不是可怜的流浪狗，而是来自外星球的长着六支脚的危险分子，只是在流放中偷跑到地球上来的！为了在地球上隐藏身份，史迪仔只能“忍辱偷生”，把自己的两只脚藏起来，让自己看起来像是一只狗，在和莉萝相处的日子里，小女孩的善良单纯让她和史迪仔成了形影不离的好伙伴。

　　5岁的女孩丽洛一直梦想养一只宠物狗，这天她终于得偿所愿，在姐姐的帮助下收养了一只流浪小狗，并帮他取名史迪。其实史迪并不是什么流浪狗，他是外太空的危险分子，长有六条腿，在流放中偷跑到了地球。为了隐瞒身份，史迪一直将他的另外两只脚藏起来，外表和其他的小狗一样。在朝夕相处中，史迪和丽洛慢慢建立了深厚的感情。然而此时，追捕史迪的外星人发现了史迪藏身地球，为了逼他就范，他们绑架了丽洛。为了救回好朋友，史迪决定尽力一拼！

　　在经历了种种波折和磨难之后，星际宝贝史迪奇（克里斯·桑德斯 Chris Sanders 配音）总算取得了“地球常住客”的身份，成为了莉洛（达科塔·范宁 Dakota Fanning 配音）家庭中的一份子。一年一度的草裙舞大赛即将拉开序幕，莉洛的妈妈曾经在比赛中夺得头筹，莉洛想要参加这届比赛，再现妈妈的风采。
　　就在莉洛为了参加比赛努力训练之时，史迪奇的身体开始出现一些奇怪的征兆，这些征兆从小小的麻烦演变成为了大大的混乱，再发展下去，甚至有可能威胁到史迪奇的生命安全！为了保护心爱的家人，莉洛决定去寻找发明了史迪奇的博士贾巴（大卫·奥根·斯提尔斯 David Ogden Stiers 配音），这位聪敏智慧的博士能否解决史迪奇身上的麻烦呢？

　　当莉洛（黛维·切斯 Daveigh Chase 配音）和史迪奇（克里斯·桑德斯 Chris Sanders 配音）终于完成了他们的任务之后，史迪奇即将和贾巴博士（大卫·奥根·斯提尔斯 David Ogden Stiers 配音）以及普利凯利（凯文·麦克唐纳 Kevin McDonald 配音）一起返回他们的星球，然而，就在这个节骨眼上，一个名为勒罗伊（克里斯·桑德斯 Chris Sanders 配音）的邪恶试验品浮出了水面。
　　野心勃勃的汉姆斯特维尔博士（杰夫·贝内特 Jeff Bennett 配音）想要将极为危险的勒罗伊复制成为一支军队，统治整个宇宙。为了粉碎汉姆斯特维尔博士的阴谋，莉洛和史迪奇再度合作，他们所要面对的，是和往日不同的，强大而又危险的敌人。

　　在亚马逊丛林腹地，探险科学家图里奥（罗德里格·桑托罗 Rodrigo Santoro 配音）和琳达（莱斯利·曼恩 Leslie Mann 配音）发现几近灭绝的野生蓝色斯皮克斯金刚鹦鹉。夫妻俩通过电视向全世界宣布这一惊人消息，看到这一幕的珠儿（Anne Hathaway 配音）劝说丈夫布鲁（Jesse Eisenberg 配音），打算带着三个调皮可爱并且已经习惯了人类文明世界生活的鹦鹉小宝宝，回到它们生长千百年的故乡寻找同类。鹦鹉一家说走就走，和它们的好朋友踏上充满惊险和乐趣的空中旅程。与此同时，某非法砍伐团体看到新闻，为防止图里奥夫妻阻挠他们的罪行，他们也悄悄采取行动。另一方面，与布鲁积怨已久的葵花凤头鹦鹉奈杰发现布鲁的踪迹，也愤然采取行动。
　　布鲁一家最不平凡的假期，正朝着意想不到的方向发展……

　　在一次挖地超人制造的大混乱中，超人家庭大力神巴鲍伯（格雷格·T·尼尔森 Craig T. Nelson配音）和弹力女超人巴荷莉（霍利·亨特 Holly Hunter 配音）和他们的子女巴小倩（莎拉·沃威尔 Sarah Vowell 配音）、巴小飞（赫克·米尔纳 Huck Milner 配音）使出浑身解数，然而不仅不能抓住狡猾的敌人，而且还因为对城市破坏太大而导致失去了政府的支持。此后不久，电信集团大亨温斯顿·狄弗（鲍勃·奥登科克 Bob Odenkirk 配音）通过酷冰侠鲁休斯（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 配音）找到鲍伯一家，希望将该公司的前沿技术应用到超人身上，更好地维护世界和平。可是狄弗只希望雇佣荷莉，偏偏荷莉大展雄风，成为了所有超人族群的偶像，这可令担任奶爸的鲍伯心有不甘。
　　而就在此时，神秘对手悄然出现，似乎正试图摧毁荷莉他们所建立的新和平……