La Piston Cup est le rêve de Flash McQueen, une voiture de course au succès retentissant. Sur la route de la course, il va se perdre à Radiator Springs, petit village de la Route 66. C'est ici qu'il va découvrir qu'il n'y a pas que la gloire dans la vie.
Flash et ses amis de Radiator Spring s'embarquent pour un championnat international qui le verra se confronter aux plus grands pilotes du monde. Pendant que Flash s'affère contre les bolides, son ami Martin est confronté aux services secrets anglais. Et pour cause, l'espion britannique Finn McMissile le prend, par erreur, pour un espion américain.
Flash McQueen est devenu un vétéran des courses. Dépassé par les nouvelles techniques du sport automobile et de son nouvel adversaire Jackson Storm, Flash va se faire aider par Cruz Ramirez afin de remporter le prochain Grand Prix : la Florida 500.
