Andy entre à l'université à 17 ans, et cela fait des années qu'il n'a pas touché à ses jouets, dont le groupe a été très réduit à cause de dons durant son adolescence. Même les soldats verts, les trois restants, s'enfuient, pensant que leur devoir d'égayer Andy a été accompli. Il les range dans un sachet poubelle sauf Woody qu'il veut emmener à l'université. Il s'apprête à les ranger, mais Molly fait tomber un jouet parmi d'autres destinés à Sunnyside, une garderie. Il l'aide, mais l'échelle du plafond se replie et la mère tombe sur le sachet. Elle l'emmène près des poubelles, et les jouets s'en vont à temps, mais Woody qui les a retrouvés après avoir voulu les sauver les voit entrer dans la voiture de la mère qui veut emmener des jouets à la garderie. Il tente de les convaincre de sortir de là, mais le coffre est refermé. Woody est persuadé que ses amis le supplieront de rentrer une fois entrés. Ils arrivent dans la garderie en question, et la boite est placée dans la salle à jouets. Ils sortent accidentellement du carton, et les jouets déjà là les accueillent chaleureusement. Chacun se présente à tous, et là, un ours en peluche rose appelé Lotso arrive. Il explique que, dans cet endroit, ils ne seront jamais délaissés. Les enfants, lorsqu'ils grandissent, amènent d'autres enfants et ainsi de suite. Puis, il appelle Ken, qui présente la salle. Il fait le tour du coin, et c'est à la fin qu'ils voient leur pièce à eux : la salle des chenilles (la salle de Lotso et des autres étant celle des papillons). Ken et Barbie, un des ex-jouets de Molly, se déclarent leurs sentiments et seule Barbie échappe à la destinée terrifiante qui les attend. En effet, Ken l'emmène avec lui. Lotso et son assistant Big Baby laissent les jouets dans la salle. Woody avoue que c'est un endroit magnifique. Il décide cependant de partir, laissant même Pile-Poil qui voulait l'accompagner. Il sort par la porte, passe par les toilettes et monte sur le toit, avant de trouver un cerf-volant auquel il s'accroche. Il s'envole, mais le vent joue contre lui, l'amenant dans un arbre, où Bonnie, une petite fille, le trouve. Il a perdu son chapeau sur l'herbe en dessous de l'arbre, et c'est sans lui qu'il est emmené.
Le très jeune orphelin Mowgli a été découvert dans la jungle par la panthère noire Bagheera. Confié au clan des loups dirigé par Akela, le petit homme a été élevé par la louve Raksha. Quelques années plus tard, une période de sécheresse exceptionnelle oblige les animaux à se retrouver près de l'unique point d'eau, où la trêve de l'eau les empêche d'y attaquer qui que ce soit, jusqu'au retour de la pluie. Là, arrive le redoutable tigre Shere Khan, porteur de cicatrices des hommes, revenu après une longue période de chasse sur un territoire lointain. Considérant Mowgli comme une menace, Shere Khan promet de l'éliminer dès la fin de la trêve. Celle-ci terminée, Mowgli choisit d'abandonner son seul foyer pour éviter le pire à sa famille adoptive et se lance dans un voyage vers le village des hommes, guidé par Bagheera.
Après la mort de sa compagne Corail et du reste de la couvée à la suite de l'attaque d'un barracuda, le poisson-clown Marin doit prendre soin de son fils unique, Nemo, handicapé par une nageoire atrophiée. Lors de son premier jour d'école, Marin, inquiet, décide de le suivre à l'occasion d'une sortie scolaire. Afin de prouver sa valeur à ses copains, Nemo décide de nager jusqu'à la surface pour toucher un mystérieux bateau. C'est alors qu'il se fait enlever par un plongeur.
Hiro Hamada est un génie de la robotique âgé de 14 ans, qui vit dans la ville fictive et futuriste de San Fransokyo (une ville hybride entre San Francisco et Tokyo). Élevé par sa tante Cassie et son frère aîné Tadashi après la mort de ses parents, il passe son temps à participer à des combats de robots illégaux. Pour ressaisir Hiro, Tadashi l'emmène au centre de robotique de son université, où Hiro rencontre les amis de son frère : GoGo Tamago, accro à l'adrénaline, Wasabi, un maniaque de l'ordre et du respect des règles, Honey Lemon, une chimiste surdouée et surexcitée, et Fred, un fan-boy convaincu, ainsi que Baymax, un assistant médical personnalisé humanoïde créé par Tadashi.
En 2012, le duo d'agents des « Men in Black » J et K fonctionne toujours après 15 ans d'association. Cependant, J s'interroge de plus en plus sur les causes du caractère renfermé de son partenaire. L'agent O, qui a pris la succession de Z à la tête de l'agence, connait les raisons mais les garde pour elle. Sur la Lune, un extraterrestre boglodite très dangereux, Boris l'Animal, s'évade et retourne sur Terre avec un objectif : tuer K, l'agent qui l'a capturé en 1969 et lui a détruit le bras gauche. L'agent K assiste au retour de son vieil ennemi sur Terre, qui le défie et part en lui disant : « Tu es déjà mort, mais tu ne le sais pas encore ». L'agent K avoue plus tard à J que ne pas avoir tué Boris fut sa plus grande erreur, sans donner plus d'explications. J cherche donc de son côté des informations dans les archives de l'agence « Men in Black » mais certaines lui sont interdites d'accès. Dans la nuit qui suit, K disparait et seul J semble se souvenir de lui : pour le reste de l'agence, K est mort sur le terrain à Cap Canaveral le 16 juillet 1969. Mais O comprend par le comportement de J que Boris a remonté le temps et tué K dans le passé, changeant le continuum espace-temps. La mort de K en 1969 a permis une brèche dans le système de sécurité de la Terre et les boglodites se préparent à une invasion. J décide donc de remonter le temps à son tour, partant pour le 15 juillet 1969 afin de retrouver K avant le Boris du présent. Il utilise pour cela un dispositif créé par un compagnon de cellule de Boris, fonctionnant sur la vitesse accumulée, et doit donc sauter du sommet du Chrysler Building ; le fils du compagnon lui explique avant de partir que si J est le seul à se souvenir de K, c'est parce qu'il a vécu les événements qui ont changé l'histoire.
Rémy, un jeune rat, vit dans la campagne française avec son père, Django, son frère, Émile, et un clan de rats, dans le grenier de la maison de Mabel, une vieille dame à la retraite. Contrairement aux membres de sa famille, Rémy est un grand admirateur de la cuisine française. Grâce à son odorat très fin, le jeune rat connaît instinctivement les ingrédients à ajouter aux plats pour les rendre meilleurs et plus subtils. C'est pourquoi il se rend furtivement le soir dans la cuisine pour lire un livre de recettes du chef cuisinier étoilé, Auguste Gusteau, mort récemment après la perte d'une de ses étoiles à cause d'un critique culinaire, Anton Ego, qui s'opposait à l'idée fondamentale de Gusteau selon laquelle « tout le monde peut cuisiner ».
Dans le film précédent, Alex le lion, Marty le zèbre, Melman la girafe et Gloria l'hippopotame, assuraient des représentations très populaires au zoo de Central Park, vivant comme des vedettes hollywoodiennes. Attiré par la vie sauvage, Marty le zèbre tenta de s'échapper, ce qui conduisit les autorités à vouloir rendre ces animaux à la vie sauvage, au Kenya. Mais ils échouèrent sur l'île de Madagascar, faisant ainsi la connaissance de la faune indigène composée des sympathiques lémuriens et de leurs féroces prédateurs: les fossas.
Les Men in Black (MIB) font partie d'une organisation ultra-secrète créée afin de réguler la présence sur Terre des extraterrestres. Grâce à leurs technologies avancées, ils sont virtuellement inexistants, effaçant la mémoire des témoins gênants. Ainsi, la population ignore la présence de vie extraterrestre au sein de notre planète. Le qualificatif d'« hommes en noir » vient des complets noirs et des lunettes sombres que les membres de l'organisation doivent porter en tout temps.
Les quatre amis Phil, Alan, Doug et Stu s'envolent vers la Thaïlande pour assister au mariage de ce dernier. Cette fois, Stu ne veut prendre aucun risque : il opte pour un simple brunch d'avant mariage et refuse qu'Alan vienne au mariage, avant que Phil et Doug ne le poussent à le laisser venir.
L'histoire se déroule à Monstropolis, une ville habitée par toutes sortes de créatures. Au cœur de la ville se situe l'usine de traitements de cris d'enfants, énergie nécessaire à la ville. Des monstres se rendent chaque jour chez des enfants par les portes de placard pour recueillir leurs précieux cris pour les transformer en énergie pour la ville.
Quadruple champion de la Piston Cup, la voiture de course Flash McQueen revient chez lui à Radiator Springs et retrouve son meilleur ami, Martin, et sa petite amie, Sally Carrera. L'ancien magnat du pétrole Sir Miles Axlerod, maintenant défenseur de l'énergie verte et reconverti en voiture électrique, annonce une série de courses appelées le « World Grand Prix », comme un moyen de promouvoir l'Allinol, un carburant qu'il a créé. Bien que McQueen refuse d'abord de participer, le défi lancé par la voiture de Formule 1 italienne Francesco Bernoulli, ainsi que l'intervention de Martin, le conduisent à entrer dans le Grand Prix. À la demande pressante de Sally, McQueen accepte d'emmener Martin au Japon avec lui. Mais la dépanneuse l'embarrasse à plusieurs reprises à cause de sa joyeuse naïveté.
En 1985, John Bennet est un garçon solitaire de huit ans. Le soir de Noël, il fait le vœu que son ours en peluche qu'il vient de recevoir à Noël prenne vie et qu'il soit son meilleur ami pour la vie ; son vœu sera exaucé par magie, l'ours Ted (traduction de « Teddy bear ») prend vie et cette histoire devient célèbre. 27 ans plus tard, en 2012, Ted et John vivent toujours ensemble, mais la présence de l'ours empiète sur la vie de couple de John, depuis quatre ans avec Lori. En effet, John et son ours se comportent comme de grands enfants, passant leur temps à boire des bières et fumer de la drogue devant des navets, leur préféré étant Flash Gordon. Aussi, Lori va forcer la main de son petit ami et le pousser à s'éloigner de son meilleur ami d'enfance afin de le faire grandir et le rendre plus mûr.
Alex le lion, Marty le zèbre, Melman la girafe et Gloria l'hippopotame vivent au Zoo de Central Park, où ils assurent en journée la vedette auprès des visiteurs. Mais Marty, contrairement aux trois autres, rêve de la vie sauvage. Quand Marty parle à quatre manchots (Commandant, Rico, Kowalski et Soldat) qui veulent également s'enfuir du zoo pour la vie sauvage (L'Antarctique pour eux), Marty décide de réaliser son rêve. Plus tard, le soir, alors qu'il fête son anniversaire, Marty parle de son rêve à ses amis qui ne comprennent pas du tout ce choix, heureux de leur vie tranquille au zoo, et surtout d'accord sur le fait qu'il « ne faut mordre la main qui te nourrit ». Alex tente de convaincre Marty de changer d'avis, ce qui semble faire son effet quand Marty dit à Alex que ce rêve n'était qu'une blague.
Après être enfin venu à bout du tueur et occulte « magicien » Lord Blackwood, le légendaire détective Sherlock Holmes et son assistant le Dr Watson peuvent clore un autre cas brillamment résolu. Mais quand Blackwood revient mystérieusement d'entre les morts et reprend ses sombres activités, Holmes doit repartir sur ses traces.