ไลท์นิ่ง แม็คควีน ซึ่งเป็นรถแข่งระดับตำนาน เริ่มเผชิญหน้ากับความจริงที่ว่าเขาไม่ใช่รถแข่งที่เร็วที่สุดอีกต่อไป เมื่อรถแข่งรุ่นใหม่ที่มีเทคโนโลยีสูงอย่าง แจ็คสัน สตอร์ม เข้ามาครองสนามแข่ง ทำให้แม็คควีนประสบอุบัติเหตุร้ายแรงระหว่างการแข่งขัน เขาต้องพิสูจน์ตัวเองให้โลกรู้ว่าเขายังไม่หมดไฟ ด้วยการฝึกฝนอย่างหนักกับ ครูซ รามิเรซ เทรนเนอร์สาวรุ่นใหม่ที่มองโลกในแง่ดี และใช้แรงบันดาลใจจาก ด็อค ฮัดสัน เพื่อกลับมาสู่สนามแข่งในแบบที่ไม่เคยมีใครคาดคิด