Shrek (Mike Myers) está entediado. Sua antiga vida de aventuras foi substituída pela de pacato pai de família. Casado com Fiona (Cameron Diaz) e pai de três filhos, Shrek sente falta da adrenalina e da liberdade que tinha no passado. Para recuperá-los, ele firma um pacto com Rumpelstiltiskin (Walt Dohrm). Imediatamente Shrek é levado a uma versão alternativa do Reino de Tão, Tão Distante, onde Fiona é uma temível ogro e ele não é mais reconhecido pelo Burro (Eddie Murphy) e o Gato de Botas (Antonio Bandera), seus melhores amigos.
Andy (John Morris) tem 17 anos e está prestes a ir para a faculdade. Desta forma, precisa arrumar o quarto e definir o que irá para o lixo e o que será guardado no sótão. Seus antigos brinquedos, entre eles Buzz Lightyear (Tim Allen), Jessie (Joan Cusack) e o Sr. Cabeça de Batata (Don Rickles), são separados para serem guardados no sótão. Entretanto, uma confusão faz com que a mãe de Andy os coloque no lixo. Woody (Tom Hanks), que será levado por Andy para a faculdade, decide salvá-los. O grupo escapa, mas acaba no carro da mãe de Andy. Ela leva a uma creche diversos brinquedos, entre eles Barbie (Jodi Benson). Ao chegarem, os amigos encontram um universo até então inimaginável, onde os brinquedos sempre têm crianças para brincarem com eles.
