Il film racconta la storia del “vero” Buzz, il ranger spaziale che ha ispirato la celebre action figure di Buzz Lightyear, il famoso giocattolo protagonista della serie Toy Story. 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.