Der Moment des Abschieds ist gekommen: Andy ist den Kinderschuhen entwachsen und macht sich bereit, aufs College zu gehen. Für sein stets getreues Spielzeug hat er keine Verwendung mehr. Andys Mutter spendet die Spielsachen der Kindertagesstätte Sunnyside. Doch dieses angebliche Paradies entpuppt sich nach zuerst freundlicher Aufnahme durch die alteingesessenen Spielzeuge bald zum Gefängnis für die Freunde. Ein ausgeklügelter Ausbruchsplan wird ausgearbeitet - die Zeit drängt, denn hier geht nicht alles mit rechten Dingen zu.

An einem verschneiten Weihnachtsabend liegt ein kleiner Junge aufgeregt und hellwach in seinem Bett. Er bewegt sich nicht, wagt kaum zu atmen. Er hat Angst, daß er zum letzten Mal jenes Geräusch verpassen könnte, das ihm schon oft entgangen ist - das Klingeln der Glöckchen am Schlitten des Weihnachtsmanns. Es ist fünf Minuten vor Mitternacht als der Junge von einem donnernden Brausen aufgeschreckt. Er reibt die beschlagenen Scheiben an seinem Fenster blank und traut seinen Augen nicht: Ein glänzender schwarzer Eisenbahnzug hält vor seinem Haus, der Dampf der gewaltigen Lokomotive zischt durch die sanft fallenden Schneeflocken in den Nachthimmel. Der Junge rennt in Pyjama und Pantoffeln nach draußen, wo ihn der Zugschaffner begrüßt, der offensichtlich auf ihn gewartet hat. "Also, kommst du mit?"? fragt der Schaffner. "Wohin?"? "Na, zum Nordpol natürlich. Dies ist der Polarexpress!"?

Ausgerechnet jetzt, da er als Newcomer die etablierten Stars am Rande der Niederlage hat und nur noch ein Entscheidungsrennen aussteht, verfährt sich der etwas egomanische, aber sympathische Rennwagen Lightning McQueen in der Wüste. Er landet in dem abgelegenen Hinterwaldnest Radiator Springs, wo die Uhren eher wie in den 50ern gehen und man den ungestümen Raser nach Kollateralschäden ein paar Lektionen erteilt.

Als Woody von einem fiesen Sammler entführt wird macht sich die Puppen-Clique auf, ihren Freund zu befreien - aber schon auf die andere Straßenseite zu gelangen, gestaltet sich schwierig, ganz zu schweigen von den lauernden Gefahren im Spielzeugladen gegenüber: Doppelgänger stellen sich Buzz Lightyear in den Weg, durchgeknallte Barbie-Sirenen drohen die edlen Ritter vom rechten Weg abzubringen, und obendrein entkommt Zurg, der böse Imperator, aus seiner Plastikbox...

Als Andys Lieblingspuppe hat Woody im Kinderzimmer das Sagen. Kaum ist der Junge nicht da, erwacht die Cowboy-Figur zum Leben, und mit ihm auch all das andere Spielzeug um ihn herum. Aufgeregt debattiert man über Andys bevorstehenden Geburtstag. Es wird befürchtet, daß ihr Besitzer ein neues Geschenk bevorzugen wird. Und tatsächlich: Der Neuankömmling Buzz Lightyear, ein stolzer Space Ranger, avanciert zu Andys Favoriten. Diese Herabstufung will Woody nicht hinnehmen.