Câu chuyện bắt nguồn từ vụ va chạm giữa Lightning McQueen cùng dòng xe đua thế hệ mới. Sau khi bị chấn thương, McQueen đột nhiên bị loại ra khỏi môn thể thao đua xe mà anh yêu thích. Để quay lại đường băng, anh cần sự trợ giúp từ một nữ kỹ thuật viên trẻ tuổi – Cruz Ramirez. Nhờ vào kế hoạch của Cruz, cùng với sự khơi nguồn cảm hứng từ Fabulous Hudson Hornet, Mc Queen sẽ chứng minh với mọi người rằng #95 chưa hết thời mà vẫn có thể giành chiến thắng trong cuộc đua Piston Cup…

Lightning McQueen, hiện tại đoạt 7 cup Piston, đột nhiên thấy mình bị lu mờ bởi Jackson Storm, một tân binh kiêu ngạo. Tay đua này thuộc về một thế hệ mới của các dòng tay đua sử dụng các công nghệ mới nhất để cải thiện hiệu suất. Điều này dẫn đến những cựu chiến binh của Lightning hoặc đang giải nghệ hoặc sa thải. Bởi các nhà tài trợ của họ đã thay thế bằng những tân binh mới. Trong cuộc đua cuối cùng của mùa giải, khi Lightning McQueen cố gắng bắt kịp Storm và các đối thủ khác, Lightning mất kiểm soát và bị một vụ va chạm cực kỳ thô bạo, gần như suýt mất mạng, khiến anh bị thương nặng. 4 tháng sau, trong giai đoạn hồi phục chấn thương ở Radiator Springs, Lightning cô lập từ bạn bè của mình và dành thời gian xem đoạn phim tài liệu về người cố vấn của mình, Doc Hudson. Đối đầu với bạn gái, Sally Carrera, Lightning e ngại bị buộc phải giải nghệ giống như Doc Hudson. Rusty và Dusty, chủ sở hữu đội đua Rust-eze của Lightning, đưa anh ta đến một trung tâm đua xe hiện đại, thật đáng ngạc nhiên. Khi đến nơi, anh ta biết được rằng họ đã bán Rust-eze cho chủ sở hữu mới Sterling, người chỉ định anh làm việc với huấn luyện viên Cruz Ramirez. McQueen cuối cùng trở nên thiếu kiên nhẫn và bực bội với phương pháp của Cruz và cố gắng sử dụng một thiết bị mô phỏng đua xe công nghệ cao, kết cục chỉ để gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho thiết bị.

Tin tưởng rằng Lightning không còn khả năng chiến thắng, Sterling đã sẵn sàng đưa anh ta ra khỏi cuộc đua và sử dụng anh ta để quảng bá sản phẩm. Lightning đưa ra một thỏa thuận thay thế – nếu Lightning thắng cuộc đua đầu tiên của mùa giải sắp tới tại Florida, anh ta có thể quyết định khi nào anh ta giải nghệ; Nếu không, anh ta sẽ giải nghệ ngay lập tức. Sterling chấp nhận thoả thuận và giao cho Cruz huấn luyện với anh ta một đấu một. Thay vì tăng tốc độ, Lightning dành hầu hết thời gian trong ngày để giúp Cruz khai thác để đua trên bờ biển gần trung tâm đào tạo. Đối với cảm hứng, họ đi đến một đường dirt mà Doc chạy, nhưng vô tình kết thúc cạnh tranh trong một derby phá hủy, mà Cruz cuối cùng thắng (?). Sự tức giận tạo nên sự lãng phí thời gian đào tạo rõ rệt, Lightning phơi bày sự thất vọng của mình cho Cruz, người tiết lộ rằng cô ấy muốn đua chuyên nghiệp, nhưng không bao giờ bắt đầu một cuộc đua vì cô ấy cảm thấy bị lật đổ. Cô từ chức như một huấn luyện viên của McQueen và bắt đầu trở lại trung tâm huấn luyện.

Biết chắc rằng Storm phá kỷ lục, Lightning gọi người bạn thân nhất của mình là Mater để được tư vấn. Mater gợi ý rằng anh ta có một người bạn cố vấn của Doc, Smokey. Lightning bắt kịp với Cruz và thuyết phục cô đi cùng, và hai người đi đến quê hương của Doc ở Thomasville, Georgia, nơi họ gặp Smokey và một vài người bạn cũ của Doc. Smokey tiết lộ rằng ngay cả khi Doc không bao giờ chạy đua lại sau vụ tai nạn của mình, anh đã tìm thấy một hạnh phúc mới trong việc huấn luyện Lightning. Smokey và bạn bè của anh ấy dạy Lightning và Cruz cách lái xe thông minh hơn Storm, với Cruz là một đối tác của Lightning. Trong một cuộc đua thực tế cuối cùng, Lightning đã hồi tưởng lại sự sụp đổ của mình, bắt đầu sự tự tin của mình.

Tại cuộc đua ở Florida, Lightning được động viên bởi Smokey và bạn bè của mình và dần dần đẩy lên thông qua các cấp bậc. Vẫn tin rằng Lightning không thể thắng được, Sterling phát hiện Cruz trong đường pit và yêu cầu cô trở lại trung tâm đua xe để bắt đầu chuẩn bị cho một tay đua khác trong sự kiện tuần sau. Lightning nghe được cuộc trao đổi và quyết định rằng Cruz chính là câu trả lời cho việc đánh bại Storm. Bước vào đường pit, Lightning có đội ngũ thiết bị của đội tạo điều kiện cho Cruz để đua, hoàn chỉnh với số vòng đua, cho cô ấy cơ hội cuối cùng để đua. Cruz sử dụng phương pháp huấn luyện của Lightning và lời khuyên của Smokey để bắt kịp các đối thủ. Cảm thấy bị đe dọa, Storm cố gắng hăm dọa Cruz, thậm chí ép tay đua nữ này cạ sát vào tường trong vòng cuối cùng của cuộc đua. Thay vào đó, Cruz sử dụng bức tường để vượt mặt Storm và chiếm vị trí đầu tiên. Cô và Lightning đều được ghi nhận với chiến thắng kể từ khi cả hai tay đua với số chiến thắng (95 Số xe đua của McQueen). Cruz bỏ việc của mình với Sterling và chấp nhận lời đề nghị từ Tex Dinoco để đầu quân cho đội đua Dinoco.

Sau đó, tại một cuộc đua giao lưu tại Radiator Springs, Lightning và Cruz tiết lộ họ đã chấp nhận màu sắc đua cũ của Doc (?), để tưởng nhớ người cũ quá cố (Doc Hudson). Tex Dinoco thông báo cho nhóm rằng ông đã mua lại Rust-eze từ Sterling, và Lightning quyết định tiếp tục đua và đào tạo Cruz. Sau đó Cruz và Mcqueen cùng nhau đua và nhận được nhiều cúp piston như cách mà Doc làm cùng Mcqueen.