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Una cornice narrativa spiega che nel 1995 il giovane Andy Davis ricevette un giocattolo di Buzz Lightyear (come visto in Toy Story), protagonista del suo film preferito; gli eventi mostrati in seguito sono tale film.

Nell'Anno cosmico 3901, lo Space Ranger Buzz Lightyear e il suo ufficiale in comando e migliore amica Alisha Hawthorne esplorano il pianeta abitabile Tikana Prime con la loro nuova recluta Featheringhamstan. Sono costretti a ritirarsi sulla loro nave da esplorazione dopo aver scoperto che il pianeta ospita forme di vita ostili. Buzz danneggia la nave durante la ritirata, costringendo l'equipaggio ad evacuare per effettuare riparazioni e continuare il viaggio. Un Anno dopo, l'equipaggio ha costruito una colonia con le infrastrutture necessarie per condurre le riparazioni. Buzz si offre volontario per testare il cristallo dell'iperspazio, un componente chiave per i viaggi interstellari. Tuttavia, dopo un test di quattro minuti con esito fallimentare, scopre che sono trascorsi quattro anni su Tikana Prime, a causa degli effetti della dilatazione del tempo per aver viaggiato a velocità relativistiche.

Dopo il suo ritorno Buzz riceve Sox, un felino robotico multiuso per aiutarlo a riprendersi dal trauma emotivo della scoperta, e continua a testare il cristallo dell'iperspazio. Con ogni test, su Tikana Prime passano altri quattro anni, fino a quando non trascorrono più di 62 anni. Durante questo periodo, la colonia si sviluppa mentre Alisha cresce una famiglia con sua moglie Kiko, morendo successivamente di vecchiaia. Dopo la morte di Alisha il nuovo comandate Burnside intende annullare la missione e non fare più viaggi interstellari ma piuttosto sta lavorando alla costruzione di uno scudo laser per proteggere la colonia inoltre ordina che il suo gatto robot venga disattivato. Buzz è devastato perché teme che la speranza di lasciare il pianeta sia perduta, tuttavia durante questi 62 anni Sox ha migliorato la composizione del cristallo, stabilizzandolo pienamente come carburante per ottenere velocità più elevate della luce. Buzz usa questa nuova composizione di carburante per un test iperspaziale di successo contro gli ordini del suo nuovo comandante. Dopo la prova Buzz scopre che sono trascorsi 22 anni, durante i quali Tikana Prime è stata invasa da una forza di robot guidata dal misterioso imperatore Zurg.

All'atterraggio, Buzz incontra i membri delle forze di difesa della colonia, tra cui Izzy Hawthorne, la nipote ormai adulta di Alisha; Mo Morrison, una recluta fresca e ingenua; e Darby Steel, un'anziana detenuta in libertà vigilata. Sebbene inizialmente riluttante a lavorare con loro a causa della loro scarsa competenza, tra cui la fobia dello spazio di Izzy, Buzz alla fine si affeziona al gruppo specialmente quando Izzy gli confida che nonostante sua nonna volesse lasciare il pianeta ha avuto una vita piena e felice. Insieme, hAnno in programma di attaccare la nave di Zurg e distruggere la forza d'invasione. Dopo un violento scontro, Zurg rapisce Buzz, portandolo a bordo della sua nave dove rivela di essere un Buzz più anziano, proveniente da una linea temporale alternativa in cui è fuggito dalle forze di Burnside: nonostante il successo del test iperspaziale, anziché essere riconosciuto come un eroe per aver trovato finalmente il carburante per tornare sulla Terra, venne dichiarato un disertore da Burnside e quasi fatto arrestare. Quindi fuggì e, aiutato dagli effetti della dilatazione del tempo, viaggiò nel lontano futuro, incontrando una nave tecnologicamente avanzata e abbandonata. Aveva assunto l'identità dell'Imperatore Zurg indossando la sua caratteristica tuta da mecha, e con le poche energie rimaste del suo cristallo (indebolitosi con l'uso a lungo andare) si era recato nell'ormai presente per ottenere più carburante iperspaziale da Buzz, al fine di viaggiare più indietro nel tempo per impedire che la nave da esplorazione atterrasse su Tikana Prime la prima volta. Quindi gli eventi vissuti da Buzz sono un presente inedito e Zurg lo invita pertanto a passargli il cristallo per cambiare il passato (e con esso il futuro). Buzz è tentato dal poter finalmente cancellare il suo sbaglio e riportare l'equipaggio sulla Terra, ma rifiuta alla fine di aiutarlo a causa delle implicazioni del possibile paradosso temporale che deriverebbe da un'azione del Genere: difatti se alterasse il corso degli eventi, Alisha non conoscerebbe mai sua moglie Kiko e di conseguenza sua nipote Izzy verrebbe cancellata dall'esistenza insieme a tutti gli altri. Irritato dalla sua decisione, Zurg attacca e immobilizza Buzz ma Sox, quello del futuro alternativo, lo libera. Nel frattempo, Izzy, Mo, Darby e Sox salgono a bordo della nave di Zurg per soccorrere Buzz. Dopo un caotico assalto alla nave, Buzz e i suoi compagni fAnno esplodere la nave e fuggono.

Tuttavia, Zurg, sopravvissuto alla distruzione, arriva e attacca la navetta di Buzz, tentando di riappropriarsi del cristallo dell'iperspazio. Mentre Zurg si prepara a distruggere Buzz, questi spara al cristallo, facendolo esplodere ed eliminando apparentemente Zurg. Rimasto senza cristallo, Buzz decide di restare su Tikana Prime. All'atterraggio, Buzz viene ricevuto dal comandante Burnside, che inizialmente dovrebbe arrestare per aver contravvenuto agli ordini, che concede a Buzz di formare una nuova squadra di Space Rangers. Buzz seleziona Izzy, Mo, Darby e Sox per formare il nucleo di questa organizzazione, con grande sorpresa di Burnside. Buzz e la sua squadra vengono spediti in una nuova avventura in luoghi sconosciuti.

In una scena dopo i titoli di coda, si scopre che Zurg è sopravvissuto all'esplosione.[1]