Rennauto-Star Lightning McQueen (Owen Wilson) ist es gewohnt, die meisten seiner Rennen zu gewinnen. Doch eines Tages rast plötzlich ein Neuling namens Jackson Storm an ihm vorbei und stiehlt ihm somit den Sieg. Dieser Erfolg sollte jedoch nur der erste von vielen sein und deshalb verabschieden sich immer mehr von Lightning´s Freunden in den Ruhestand. Nur er selbst nicht, was ihm einen der schlimmsten Unfälle seiner Karriere einbringt.
Nach Monaten in der Versenkung denkt der ehemalige Star daran, sich wieder in einem Rennen der Konkurrenz zu stellen. Um schneller zu sein als die jüngeren Autos, bekommt Lightning mit Sterling (Nathan Fillion) einen neuen Manager und mit Cruz (Cristela Alonzo) eine Trainerin, die ihn mit den neuesten Techniken unterstützt. Ob das der richtige Weg ist und welche Veränderungen nötig sind, werden seine Zukunft bestimmen.