Entre los acontecimientos de Toy Story 2 y Toy Story 3, Woody y Bo Peep rescatan el coche teledirigido de Andy, RC, de ser arrastrado por una tormenta. Momentos después, Bo Peep y su lámpara son donados a un nuevo propietario. Un angustiado Woody considera la posibilidad de irse con ella, pero al final decide que su deber es quedarse con Andy.

Nueve años más tarde, después de que un Andy universitario haya donado sus juguetes a Bonnie, Woody lucha por adaptarse, ya que los juguetes de la habitación de Bonnie ya tienen un líder: Dolly. Bonnie también muestra poco interés en jugar con él. Woody sigue convencido de que Bonnie debe necesitarlo, y se cuela en su mochila el día de su orientación en el jardín de infancia. Cuando otro niño roba los materiales de arte de Bonnie, Woody recoge objetos de la basura y los deja en la mesa de Bonnie. Bonnie crea un muñeco con un tenedor y otros objetos, y lo llama Forky. Forky cobra vida, pero sufre una crisis existencial y sigue intentando saltar de nuevo a la basura. Como Forky se convierte rápidamente en el nuevo juguete favorito de Bonnie, Woody tiene que impedir repetidamente que se tire a la basura.

Cuando la familia de Bonnie se va de viaje por carretera, Forky salta por la ventana de la autocaravana en marcha. Woody hace lo mismo, a pesar de las protestas de Buzz Lightyear. Mientras caminan hacia el parque de casas rodantes, Woody finalmente convence a Forky de que su lugar está con Bonnie. Al pasar por el escaparate de una tienda de antigüedades, Woody reconoce la lámpara de Bo Peep y se desvía hacia el interior para encontrarla. Se encuentran con una muñeca parlante llamada Gabby Gabby y sus amigos muñecos ventrílocuos, que inmediatamente intentan llevarse la caja de voz de Woody para reemplazar la rota de Gabby, pero Woody escapa de la tienda, aunque Forky no. En un parque infantil, Woody se reúne con Bo Peep y sus ovejas, que se han convertido deliberadamente en "Juguetes Perdidos", libres de cualquier dueño y capaces de hacer lo que quieran. Aceptan ayudar a Woody a rescatar a Forky.

Buzz, tratando de encontrar a Woody, se pierde en una feria y se convierte en un premio en un juego, pero escapa con los peluches Bunny y Ducky. Se reúnen con Woody y Bo, y con la ayuda del juguete de bolsillo Giggle McDimples y del juguete canadiense de bicicleta acrobática Duke Caboom, intentan rescatar dos veces a Forky (que en realidad se está divirtiendo y no corre peligro), pero fracasan en ambas ocasiones. Después de que McDimples esté a punto de morir a manos del gato del dueño de la tienda, los juguetes discuten sobre si deben volver o no. Woody, aún desesperado por ser de alguna utilidad para Bonnie, insulta a Bo diciendo que la lealtad no es algo que un "Juguete Perdido" pueda entender. Se queda solo para intentar rescatar a Forky, pero cuando se enfrenta a Gabby, ésta le explica que lleva más de 60 años deseando el amor de un niño. Woody se compadece y le da su caja de voz.

Cuando Woody y Forky se marchan, ven cómo Gabby es rechazada cruelmente por Harmony, la nieta del dueño de la tienda. Woody deja a Forky para que siga solo y convence a Gabby para que vuelva a la casa de Bonnie con él. Bo, Duke y otros juguetes regresan y ayudan a la pareja a escapar al recinto ferial. Jessie, después de que Forky le informa de la situación, reúne a los juguetes de Bonnie para que tomen los mandos de la autocaravana y la conduzcan de vuelta a la feria. Cuando el grupo de Woody se acerca a la caravana, Gabby se da cuenta de que hay una niña perdida y llorando y se detiene para consolarla. La niña es encontrada por sus padres y se queda con Gabby como su juguete.

Woody y Bo Peep deciden que deben volver a separarse. Buzz convence a Woody de que Bonnie está bien sin él y que es libre de quedarse con Bo. Woody entrega su placa a Jessie y se convierte en un "Juguete Perdido" junto a Bo, su oveja, McDimples, Caboom y Bunny & Ducky. Sus amigos de toda la vida comparten una emotiva despedida con él y se van con Bonnie. Los Juguetes Perdidos se dedican entonces a viajar con la feria y a ayudar a los juguetes premiados a encontrar nuevos dueños. En su primer día de clase, Bonnie hace una nueva muñeca (femenina) con un cuchillo de plástico. Forky queda prendado de ella al instante, aunque sufre la misma crisis existencial que él.