1995年，一个名叫安迪的男孩得到了他最爱的电影角色玩具——巴斯光年。而这部《光年正传》，正是那部改变安迪童年的传奇电影。
星际舰队王牌飞行员巴斯（克里斯·埃文斯配音）与挚友阿里莎指挥官（乌佐·阿杜巴配音）在T-7星球执行勘探任务时，这个自诩"独行侠"的太空骑警遭遇了职业生涯最大危机。当笨手笨脚的新人费瑟林汉姆（比尔·哈德尔配音）被食人藤蔓缠住时，巴斯执意驾驶"萝卜号"飞船强行突围，结果撞毁整艘飞船的能量核心，导致全体船员被迫在这颗蛮荒星球建立殖民地。
为弥补过错，巴斯开始疯狂测试超光速飞行技术。但每次突破光速归来，飞船外的时间已流逝整整四年。他眼睁睁看着阿里莎与爱人琪柯组建家庭、养育子女，直至垂垂老矣。当全息影像里白发苍苍的阿里莎向他展示孙女伊兹时，新任指挥官伯恩赛德（以赛亚·惠特洛克配音）宣布永久放弃撤离计划。
带着机械猫伙伴索克斯（彼得·孙配音）偷走飞船的巴斯，意外穿越到更遥远的未来。此时殖民地正遭受机器人军团袭击，而率领这支军队的，竟是自称来自平行时空的老年版巴斯——邪恶帝王札克（詹姆斯·布洛林配音）！这个偏执的未来版本企图改写历史，却不知这将抹杀阿里莎充满欢笑的一生。
在与伊兹（柯克·帕尔默配音）、技术宅莫（塔伊加·维迪提配音）和暴脾气囚犯达比（戴尔·索尔斯配音）组队作战时，巴斯终于明白：真正的英雄不是独行侠，而是懂得信任伙伴的领导者。当他们在太空引爆超光速水晶与札克同归于尽时，巴斯那句"想都别想，札克！"的经典台词，注定将成为新一代孩子的童年记忆。
最终，这支杂牌军以全新太空骑警小队的身份，驾驶着专属飞船冲向宇宙深处。就像阿里莎当年说的："有些错误会带你遇见更美好的未来。"而巴斯的故事，才刚刚开始……
【幕后花絮】
• 片中索克斯的机械变形设计致敬了《超能陆战队》的大白
• 札克飞船的红色激光炮与《玩具总动员2》的设定完全一致
• 伊兹的祖母绿制服暗喻她将继承阿里莎的传奇