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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……

约翰年届七十，独居于蔚蓝海岸的豪华酒店。他被隔壁神秘女子吸引，唤起对1960年代作为国际间谍的回忆。女子突然失踪后，约翰陷入一连串光怪陆离的回忆或幻想——魅惑的女人、邪恶的反派、血腥又迷人的往昔。他试图解开记忆的谜团，却逐渐分不清现实与幻觉。影片以致敬欧洲谍战片的风格，描绘一个被电影幻象吞噬的灵魂：旧敌是否重现？阴谋是否仍在？还是他只是沉溺于银幕的诱惑？