피스톤 컵의 챔피언으로 실력을 인정 받은 라이트닝 맥퀸은 자동차 경주를 끝내고 레디에이터 스프링스로 돌아왔어요. 사랑하는 친구들과 더 많은 시간을 보내고 싶었기 때문이지요. 하지만 짧은 휴식을 끝으로 곧바로 월드 그랑프리 대회에 나가게 되지요. 가장 친한 친구인 ‘메이터’와 대체 연료 전문 ‘필모어’, 타이어 전문 ‘루이지’와 ‘귀도’ 등이 한 팀이 되어 전 세계를 무대로 한 대회에 함께하게 돼요. 월드 그랑프리 대회는 석유를 팔아 큰돈을 번 마일즈 액스러로드가 개최한 대회로 마일즈는 석유보다 안전한 대체 연료인 ‘알리놀’을 널리 알린다는 의미로 대회를 연 것이지요. 하지만 월드 그랑프리 대회를 둘러싼 어머어마한 음모가 있다는 것을 눈치챈 비밀 요원들이 작전을 펼치지 시작해요.