Flash McQueen, jeune bolide arrogant promis au succès, se retrouve par hasard perdu dans une petite ville sur la célèbre route 66 ! Loin des vivas de ses fans, il va alors découvrir des habitants passionnants - la splendide Sally, le sage Doc Hudson ou l'hilarant Martin - qui vont l'aider à apprendre que dans la vie il y a des choses bien plus importantes que les trophées et la gloire.

Flash McQueen, la star des circuits automobiles, et son fidèle compagnon Martin la dépanneuse reprennent la route pour de nouvelles aventures. Les voilà partis pour courir le tout premier Grand Prix Mondial, qui sacrera la voiture la plus rapide du monde ! Mais la route du championnat est pleine d'imprévus, de déviations et de surprises hilarantes, surtout lorsque Martin se retrouve entraîné dans une histoire comme il n'en arrive qu'à lui : une affaire d'espionnage international !…

Dépassé par une nouvelle génération de bolides ultra-rapides, le célèbre Flash McQueen se retrouve mis sur la touche d'un sport qu'il adore. Pour revenir dans la course et prouver, en souvenir de Doc Hudson, que le n° 95 a toujours sa place dans la Piston Cup, il devra faire preuve d'ingéniosité. L'aide d'une jeune mécanicienne pleine d'enthousiasme, Cruz Ramirez, qui rêve elle aussi de victoire, lui sera d'un précieux secours…

Tout le monde connaît désormais Martin, la dépanneuse ami de Flash McQueen. Ce qu'on ne sait pas, c'est que Martin a déjà vécu des histoires extraordinaires… vraiment ?…