ไลท์นิ่ง แม็คควีน และ เมเทอร์ เพื่อนซี้ของเขา เดินทางไปแข่งขันในรายการ World Grand Prix เพื่อตัดสินว่ารถคันไหนคือรถที่เร็วที่สุดในโลก แต่ระหว่างการแข่งขัน เมเทอร์ กลับพบว่าตัวเองเข้าไปพัวพันกับภารกิจสายลับระหว่างประเทศโดยไม่ได้ตั้งใจ เมื่อเขาถูกเข้าใจผิดว่าเป็นสุดยอดสายลับจากอเมริกา เมเทอร์จึงต้องเลือกระหว่างการช่วยเหลือเพื่อนซี้ในการแข่งขัน หรือการทำหน้าที่เป็นสายลับร่วมกับสายลับอังกฤษ ฟินน์ แมคมิสไซล์ และ ฮอลลีย์ ชิฟเวลล์ เพื่อเปิดโปงแผนการร้ายที่คุกคามการแข่งขัน