Relâmpago McQueen, a sua equipa e novas personagens percorrem o mundo na Corrida dos Campeões (World Grand Prix), que decorrerá em cinco países diferentes: Japão, Alemanha, Itália, França e Inglaterra. No entanto, Mate, envolvido numa confusão de identidade, salva a vida de um agente secreto britânico, Aston Martin, chamado Finn McMissile, e acaba envolvido num esquema de espionagem que dura 24 horas.

Lightning McQueen, um novo e bem-sucedido carro de corridas, descobre que "há vida para além" da meta de chegada, quando, inexplicavelmente, se desvia para a adormecida vila de Radiator Springs, na estrada 66. A caminho da grande corrida 'Piston Cup Championship' na Califórnia para competir contra dois experientes profissionais, McQueen conhece os mais originais habitantes da vila — incluindo a sexy Sally: Porsche de 2002, Doc Hudson: um Hudson Hornet de 1951, com um passado misterioso e Mater: um velho reboque ferrugento, de total confiança — que o ajudam a perceber que existem coisas mais importantes que troféus, fama e patrocínios.