许多年以后的某一天，胡迪他们原本平静的生活再次被打破，主人家新添了一个智能机器人。这个机器人有着最先进的程序，它看不起这些传统的玩具们，认为它们老旧又无趣。
智能机器人开始抢占玩具们的地盘，还经常向小主人献殷勤，试图让小主人只喜欢自己。胡迪决定带领大家反抗，他们先是联合起来制造一些小麻烦给智能机器人，比如故意在它要展示功能时设置障碍。
但这并没有让智能机器人退缩，反而更加变本加厉。就在玩具们感到绝望的时候，小主人发现智能机器人的冷漠，它只是机械地执行命令而没有感情。相比之下，胡迪他们充满温情和回忆。于是小主人重新重视起这些传统玩具，把智能机器人放到角落。玩具们欢呼起来，又恢复了往日的欢乐时光，它们深知友情和陪伴才是最重要的，无论科技怎么发展也替代不了。
然而，没过多久，小主人参加了一场科技展。在展会上，他看到了一款超级智能的互动玩具，这款玩具不仅拥有超高的智商，还有模拟情感的能力。小主人被深深吸引，将其带回了家。
这个新玩具刚到家就表现出极大的亲和力，它主动找胡迪聊天，还表示很羡慕玩具们之间深厚的友谊。胡迪他们一开始很警惕，但慢慢地发现这个新玩具并无恶意。
新玩具告诉他们，外面的世界正在快速变化，有许多像它一样的新型玩具渴望真正的友谊，而非仅仅竞争。胡迪听后深受触动，他决定带着伙伴们走出房间，去外面的世界看看。
于是，胡迪带领着玩具们踏上了奇妙的旅程，他们要去寻找更多可以成为朋友的新型玩具，也要把友情的真谛传递出去，从此开启了一段充满未知与惊喜的冒险之旅。
胡迪和伙伴们走出家门后，发现外面的世界充满了各种各样新奇的东西。他们来到了一个巨大的玩具集市，这里到处都是新型玩具。有的玩具能够在空中自由飞翔，有的玩具可以变换成各种形状。
胡迪他们有些不知所措，但还是鼓起勇气上前打招呼。刚开始，新型玩具们对这些传统玩具投来了异样的眼光，可是当胡迪讲述了他们之间的故事后，新型玩具们渐渐露出了友善的笑容。
他们一起玩耍、分享彼此的经历。胡迪发现，尽管大家形态各异、功能不同，但对友谊的渴望是相同的。
然而，就在这时，一阵狂风突然刮起，原来是一个巨型清洁机器人误闯进了玩具集市。它不分青红皂白地开始清扫，许多小玩具四处奔逃。胡迪大喊一声，所有玩具团结起来，利用各自的优势对抗清洁机器人。最终，成功阻止了它。这次事件之后，玩具们的关系变得更加紧密，胡迪知道，他们的友谊之旅还很长很长。
经过这场风波，胡迪和伙伴们在玩具集市更受尊重了。他们继续探索，遇到了一个神秘的玩具屋。屋里传出美妙的音乐声，好奇的他们走进屋内。里面有一个古老的音乐盒玩偶，她说自己知晓许多玩具的秘密往事。
音乐盒玩偶告诉他们，在遥远的地方有一座玩具城堡，如果能到达那里，就能找到一种神奇的力量，可以让所有玩具永远不会被抛弃。胡迪心动了，决定带领伙伴们前往。
途中，他们遭遇一条由废旧电池组成的大蛇。大蛇不断喷出电流攻击，胡迪指挥大家相互配合，有的吸引大蛇注意力，有的趁机破坏大蛇的关节。经过艰苦战斗，终于打败大蛇。
最后，他们抵达玩具城堡。在这里，他们找到了一颗散发着光芒的水晶球。触摸水晶球的瞬间，所有玩具都感受到一股温暖的力量注入体内。他们知道，从此以后，不管在哪里，只要心中怀着对友谊的信念，就永远不会被遗忘、被抛弃。随后，他们带着这份美好的祝福返回小主人家中。
回到家后，小主人看到胡迪他们平安归来，特别开心。玩具们将在玩具城堡中的奇遇讲给小主人听，小主人惊讶不已。
这天晚上，家里却突然闯入了一伙盗贼。盗贼们翻箱倒柜，弄出很大动静。胡迪他们意识到危险来临，决定保护家园。他们悄悄溜到盗贼必经之路，利用自身特点设下重重机关。弹簧狗拉长身体绊倒盗贼，土豆先生伪装成吓人的模样吓唬盗贼。胡迪则站在高处指挥作战。
就在盗贼们快要崩溃时，警笛声传来，原来邻居听到动静报了警。盗贼们被一网打尽。小主人第二天醒来，发现家里安然无恙，他抱起胡迪感激万分。
从那以后，小主人更加珍惜这些玩具。胡迪和伙伴们也继续快乐地生活着，偶尔他们还会回忆起在外冒险的日子，那些经历让他们更加明白友谊的珍贵以及守护家庭的意义。
一天，小主人带回了一个来自外太空主题公园的外星玩具。这个外星玩具长得奇形怪状，而且说着大家听不懂的话。起初，大家对外星玩具很排斥，害怕它带来不好的事情。但胡迪想起之前他们对待其他新朋友的态度，决定先尝试接纳。胡迪努力通过手势和简单动作跟外星玩具交流，慢慢地，外星玩具理解了胡迪的善意。它开始用自己独特的方式表达友好，展示它来自外太空的奇特能力，像是发出奇异光线照亮黑暗的角落。其他玩具见状也纷纷加入进来。一次，小主人不小心把外星玩具遗落在了公园里，胡迪组织大家展开营救行动。他们克服了种种困难，如躲避公园里其他大型游乐设施的干扰，避开调皮孩子的捕捉。最终成功找回外星玩具。这件事过后，外星玩具彻底融入了这个大家庭，胡迪和伙伴们的友谊也因为新成员的加入变得更加丰富多彩，他们继续在小主人身边幸福地生活着。
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