Rayo McQueen se ha convertido en una celebridad de buena finde en todo el mundo como el ganador de cuatro Copas del pistón. Después de su última victoria, Rayo vuelve a casa para disfrutar de la vida en el carril lento por un tiempo con novia Sally, Mater mejor amigo y el resto de su familia Radiator Springs. Su temporada es inesperadamente interrumpida cuando Mater inadvertidamente mensajes relámpago para entrar en el Grand Prix Mundial, un alto perfil, en tres partes carrera de exhibición que le llevará por todo el mundo. Pronto aprenderán que el camino para convertirse en el campeón está lleno de obstáculos, pero también lleno de sorpresas.