Badai gelap mulai menyelimuti karir dari Lightning McQueen (Owen Wilson) setelah banyaknya kekalahan dalam balapan yang diterimanya dari pembalap baru sekaligus rival terbarunya, Jackson Storm (Armie Hammer) dan juga ditambah kecelakaan fatal yang dialami yang mempertanyakan apakah sang Lightning akan pensiun dari dunia balap seperti mentornya terdahulu, Doc Hudson.

Untuk mempertahankan karirnya tersebut, McQueen bertekad untuk kembali kearena dan meraih kemenangan dengan meminta bantuan dari seorang teknisi balap yang memiliki semangat, Cruz Ramirez (Cristela Alonzo) dan dorongan (support) dari teman-temannya di Radiator Spring untuknya agar dapat kembali di Florida 500.

Film ini akan menceritakan tentang perjalanan Lightning McQueen untuk menjadi pembalap terkenal, yang mana dikisahkan setelah dikalahkan dalam banyak balapan, oleh Mobil pembalap bernama hightech Jackson Storm (diperankan Armie Hammer), para fans banyak yang mulai bertanya-tanya tentang Lightning McQueen (diperankan Owen Wilson), apakah dirinya akan pensiun dari balapan, setelah dirinya mengalami sebuah kecelakaan yang mengerikan.