A história de origem do patrulheiro espacial Buzz Lightyear (Chris Evans), que deu origem ao brinquedo de Toy Story. No filme, Buzz e sua equipe são abandonados em um planeta a 4,2 milhões de anos-luz do planeta Terra.

Através das leis do espaço e tempo, ele tentará encontrar uma forma de voltar para casa. Para isso, contará com a ajuda de um grupo de recrutas e um gato-robô.

Para piorar a dificuldade da missão, eles encontrarão o vilão Zurg que chegou ao mesmo planeta para cumprir um compromisso misterioso.