O jogo conta com dois modos de jogo, o Story e o Toy Box. No primeiro, o jogador vive os acontecimentos do longa no controle do caubói Woody, do astronauta Buzz Lightyear e da garota Jessie, todos protagonistas do terceiro filme da série. O enredo do longa é o mesmo deste modo; em uma missão de resgate, Woody parte de sua casa até um asilo de brinquedos onde seus amigos foram parar após serem, acidentalmente, jogados no lixo pela mãe do garoto Andy - que já não é tão mais menino assim, está indo para a faculdade e perdeu o interesse em brinquedos. No caminho, Woody encontrará novos brinquedos que vão ajudá-lo na aventura. Diferente do modo Story, que proporciona progressão nas fases de forma clássica com desafios típicos de um jogo de plataforma, o modo Toy Box é inédito. Por meio dele, o jogador vira uma espécie de xerife em uma simulação de brincadeira de criança. Por meio de missões dadas por personagens conhecidos da série, o jogador deve explorar o mundo dos brinquedos e resolver pequenos desafios. Além disso, é possível passear livremente, participar de mini-games (como uma corrida de kart) e personalizar a cidade de brinquedo. Ao cumprir missões, itens especiais serão habilitados para que o jogador decore o local da forma como sua imaginação preferir.