Passados 24 anos do primeiro "Toy Story", que marcou a estreia da Pixar nas longas-metragens e a primeira vez que um filme foi totalmente animado a computador, a história do Xerife Woody e do astronauta Buzz Lightyear, dois brinquedos, e dos seus amigos, chega ao quarto capítulo. Desta feita, a trama gira à volta de Forky, uma mistura entre uma colher e um garfo que tem uma crise existencial e desaparece.

Andy (voz de John Morris) tem já quase 18 anos e, agora que vai entrar para a faculdade, tem de decidir o que fazer com todos os seus brinquedos. Woody (Tom Hanks), Buzz Lightyear (Tim Allen), Jessie (Joan Cusack), o Sr. e a Sra. Cabeça de Batata (Don Rickles e Estelle Harris), Slinky Dog (Blake Clark), Rex (Wallace Shawn) e Hamm (John Ratzenberger), temendo o seu destino, vivem aterrados com a decisão de Andy.

Woody (voz de Tom Hanks), o boneco cowboy, vai parar a uma loja de brinquedos usados e é raptado por Al, um coleccionador. Quando os seus amigos se apercebem do grande sarilho em que está metido, liderados pelo astronauta Buzz Lightyear (Tim Allen), arranjam um plano para o salvar.

No quarto de Andy, Woody (voz de Tom Hanks), o boneco "cowboy", é, desde sempre, o seu brinquedo favorito e o chefe de todos os brinquedos que aí vivem. Até que, no dia do seu aniversário, Andy recebe como presente Buzz Lightyear (voz de Tim Allen), um boneco-astronauta que está convencido estar em plena missão intergaláctica.