Martin est un détective privé sur une enquête de contrefaçon de pneus, quand Tia revient dans sa vie. Sa soeur Mia a été enlevée et il doit l'aider à la retrouver, avec l'aide du lieutenant de police Lightning McQueen.
Alors qu’ils s’attendaient à faire une virée sympa en voiture, Buzz, Woody et tous leurs amis vont connaître le pire en voyant leur route déviée vers un motel miteux. L’atmosphère sur place y est des plus pesantes. L’un des jouets disparaît même, tandis que les autres se retrouvent...
