Alors qu'Andy s'apprête à partir pour l'université, ses anciens jouets se demandent ce qui va leur arriver. Idéalement, ils prendraient leur retraite, tous ensemble dans le grenier. Mais, à cause d'une erreur, ils sont forcés de se réfugier dans une garderie, où ils tombent sur un ours en peluche tyrannique qui, aidé de Ken, mène d'une main de fer le destin des jouets, condamnés à servir de chair à canon pour les tout-petits. Sous l'insistance de Woody, tous les jouets s'unissent afin de quitter la garderie au plus vite et retrouver Andy avant son départ.

Dans une charmante banlieue, entourée d'une palissade blanche et de rosiers en fleur, se dresse une maison noire au milieu d'une pelouse morte. À l'insu de son voisinage, enfoui sous cette maison, se cache un vaste repère secret. Entouré d'une petite armée de petits vilains, nous découvrons Gru qui a décidé de réaliser le plus grand méfait de tous les temps : voler la lune. Avec son arsenal de rayons rétrécissants, de rayons paralysants et de véhicules de combat prêts à attaquer sur terre comme dans les airs, il a vaincu tous ceux qui se sont mis sur sa route. C'était jusqu'à ce qu'il se heurte à l'immense volonté de trois petites orphelines qui voient en lui quelque chose que personne n'aurait imaginé : un père potentiel.