モンスターズ株式会社は、住民全員がモンスターのモンスター・シティと呼ばれる町にあった。サリーと相棒のマイクら社員は毎晩町のエネルギー源である子どもたちの悲鳴を収集するために人間界へと出向いていたが、ある日、幼い女の子ブーが迷い込んで来る。何より人間の子どもに恐怖を抱いていたモンスターたちは、パニックに陥り……。

オーストラリア、グレートバリアリーフ。広大な海の中でカクレクマノミの400個の卵が孵化しようとしていた。しかし、無事に生まれたのは母親の命と引き換えに助かったたった1つだけ。父マーリンは、この子を“ニモ”と名付け、同じ悲劇を繰り返さないと誓い過保護なまでに大事に育てていく。そして6歳になったニモに、初めて学校へ行く日がやって来る。しかし、突然の悲劇がニモを襲う。彼は、人間のダイバーにさらわれてしまったのだ。打ちひしがれるマーリンだったが、陽気なナンヨウハギ、ドリーの助けを借りてニモを取り戻す旅へと出るのだった。

ある日、ウッディがオモチャ屋のアルにさらわれてしまう。ビンテージ品としての価値に目を付けたアルは、彼を博物館へ売りつけようと奔走。ウッディの友人であるバズたちは、彼を助けるためアルの行方を追う。

アンディがおもちゃで遊んでいたのも今は昔。アンディは大学に入学する年齢になり、カウボーイ人形のウッディたちおもちゃは託児施設に寄付されることになった。しかし、そこに待っていたのは乱暴な子どもたち。ウッディは脱出に成功するものの、アンディの元へ行くか、仲間たちを助けに戻るかの究極の選択を迫られる。

池の中に浮かぶ島、アント・アイランドには主にアリたちが暮らしていた。夏になると島にバッタたちがやってきて、秋までの間にアリたちに食料を集めさせる仕事をさせていた。まるで農民たちに年貢を納めさせるかのように。奇抜な発明家・フリックはその発明品があまりに危険なことからアリたちに「歩く災難」とまで言われていた。彼は刈り取り機を発明したが、失敗してしまい集めた食料が川に流れてしまった。フリックは責任をとるためにバッタたちと対決することを決意し、手助けしてくれる強い用心棒を探すために都会に出ることをアリ達と約束したのだった。都会へ向かう道中、あるサーカス団が公演を行っていた。団員たちは公演中に起きたある事件がきっかけで全員解雇され、職を失ったのだった。