《玩具总动员4》的故事将集中在胡迪与牧羊女中间的爱情上面，会是一部爱情喜剧。除了观众们熟悉的胡迪警长、巴斯光年、翠丝外还出现了很多新角色。
胡迪
胡迪是一名来自20世纪50年代的牛仔警长。是玩具总动员系列的核心玩具。在《玩具4》中，胡迪将与新朋友forky展开一场惊心动魄的公路冒险之旅。
巴斯光年
巴斯光年是一位兼具多种功能的太空人玩具，在《玩具总动员1》中以安迪的新玩具的身份登场，引起了胡迪的妒忌，后两人重归于好，成为了最亲密的伙伴，在这季中巴斯将会去寻找胡迪与forky。
翠丝
翠丝是与胡迪同一时期被制作的牛仔娃娃，她能歌善舞，在上世纪五十年代的西部牛仔秀里，两人是重要的搭档。在《玩具4》里，她与众玩具将生活在新主人—邦妮的家里。
弹簧狗
狗是人类的朋友，而塑料的狗同样如此，弹簧狗随时伴随在胡迪的身边，并愿意为朋友奉献出一切。他那富有弹性的弹簧让他能充分发挥侦察兵与救兵的作用。
抱抱龙
抱抱龙是玩具箱中的一只绿色恐龙，外形既可爱又可怕，他的听力不错，曾多次在被困的情况下听到外界的声音，并使伙伴们及时做好计划。
火腿
火腿是一个猪形粉红色储钱罐。他喜爱阅读书籍，对世事无所不知……至少他希望别人认为他很能干，手速极快（不知道单身多久了）。
太空外星人
经常能听到三个三只眼睛的绿色大嘴玩具异口同声的喊道“噢噢~喔！”。因为蛋头先生救了他们的性命，所以他们把蛋头夫妇当作父母一样尊敬，于是他们也有了另一句口头禅“你救了我们，我们永远感谢你”。在《玩具总动员3》里，三个小家伙更是将命悬一线的众玩具们及时救了下来。
蛋头先生、蛋头太太
蛋头先生是一个爱说俏皮话、容易头脑发热、一脸愤世嫉俗的人。坚硬的塑料外壳成了他永远的悲哀；但他能把自己的所有都奉献给蛋头太太，则展现了他温柔的一面。 蛋头太太是蛋头先生的头号粉丝。她崇拜勇敢的蛋头先生，并且总是愿意助他一臂之力……或是一只眼睛。蛋头夫妇都有着一触即发的爆脾气。
红心
红心是“胡迪牛仔秀”中胡迪最信赖的伙伴。红心跑起来有风驰电掣一般的速度，尤其是当胡迪骑在上面时，更是如虎添翼。虽然他不说话，我们仍能感受到他对玩具们的关心。
