Buzz Lightyear è alle prese con il suo primo volo di prova che dovrebbe durare solo quattro minuti, ma succede qualcosa di straordinario durante il test. Mentre è in volo, il ranger spaziale sembra attraversare un varco temporale che lo porta 62 anni avanti nel tempo. Ora che si trova nel futuro, Buzz non dovrà cercare soltanto un modo per tornare a casa sua, nel passato, ma dovrà anche aiutare un gruppo di improvvisati combattenti a fronteggiare un'invasione di robot alieni, guidati dal malvagio imperatore Zurg. Ad accompagnarlo in questa missione nel futuro c'è Sox, il suo fedele robot di compagnia.
