玩具总动员电影胡八一、雪莉杨、王胖子三人受雇于林教授，加入到保护文物的队伍。在一次任务中，意外得到了关于雪莉杨父亲的线索，与罗布泊古城有关。胡八一知道父亲的失踪一直是雪莉杨的心结，决定与她一起探寻父亲的下落和罗布泊古城的秘密。于是三人组与林教授等人一起上路前往罗布泊，寻找罗布泊古城。一路上危机四伏，几经困难，终于寻找到了罗布泊古城，但更大的危机还在等待着他们。