Buzz Lightyear is een astronaut en de held waarop de speelgoedfiguur uit 'Toy Story' gebaseerd is. Na een jaar voorbereiding leidt hij als gezagvoerder zijn eerste testvlucht en krijgt hij het gezelschap van de robotkat Sox. Buzz gaat een episch avontuur aan wanneer hij met een reusachtige robot, de keizer Zurg, moet afrekenen.

Tien jaar geleden maakte Slade Wilson een verschrikkelijke fout. Zijn vrouw en zoon kwam dit duur te staan. Nu, een decennia later, wordt Wilsons familie opnieuw bedreigd. Hij moet de strijd aangaan met de terreurgroep genaamd H.I.V.E., om zijn naasten te redden, en zichzelf.