Lightning McQueen ist ein erfahrener Rennwagen und kennt den Rennzirkus wie kaum ein anderer. Doch eine neue Generation schneller, moderner Fahrzeuge macht ihm zunehmend Konkurrenz. An Ruhestand denkt der rote Flitzer trotzdem nicht: Er nimmt sich vor, das Piston-Cup-Rennen zu gewinnen und den jungen Fahrern zu beweisen, dass er noch immer ein echter Champion ist.

Besonders der blitzschnelle Newcomer Jackson Storm stellt McQueen vor eine große Herausforderung. Mit modernster Technik ausgestattet, hat Storm einen klaren Vorteil. Deshalb bittet McQueen die junge Renntechnikerin Cruz Ramirez um Unterstützung. Sie soll ihn trainieren und ihm die neuesten Methoden des Rennsports zeigen. Cruz hat bereits einige Ideen, wie sie Lightning wieder auf Erfolgskurs bringen kann.