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……

本片是迪士尼经典动画电影《小美人鱼》的第三部系列作品。故事回到爱丽儿还在大海中生活的情景，所以爱丽儿依然是人鱼姿态于故事中出现。本片中也会首度揭露爱丽儿的母亲雅典娜皇后。自从雅典娜皇后在一次意外中丧生后，川顿国王就下令：亚特兰提卡王国不准有音乐的存在！但是年轻又热爱音乐的爱丽儿却对此令相当的反感，也决定不顾父亲的感受，就是要与音乐为伍！此举将会为她带来灾难？还是她可以因此找回父亲昔日对她们的关爱呢？