McQueen Tia chớp khoác trên mình lớp sơn đỏ rực, rất sung sức, tự mãn và thường trực nụ cười mỉa mai. Lao vun vút trên đường 66 tới California để tranh cúp Piston, cậu đã đâm sầm vào thị trấn Radiator Springs buồn tẻ, phá nát đường đi và suýt bị ngồi tù. Chỉ vài ngày nữa, anh chàng phải tham gia cuộc đua, mong được đại gia Dinoco tài trợ để trở thành "sao". Nhờ sáng kiến của cô nàng luật sư Sally - một chiếc Porsche bóng bẩy đời 2002 - McQueen phải đem thân hình công tử ra kéo chiếc xe rải nhựa khổng lồ để làm lại đường. Cậu làm quen với bác sĩ Hudson, một chiếc Hudson Hornet đời 1951 từng là huyền thoại của đường đua Piston. Ngoài ra còn có Mater chiếc xe tải cũ mèm, gỉ sét và vui tính. Từ thị trấn nhỏ bé này, McQueen đã nhận ra nhiều điều ý nghĩa trong cuộc sống.

Lightning McQueen và đồng đội của mình đang hướng tới giải đua xe vòng quanh thế giới "Race of Champions", đi qua 5 quốc gia: Nhật Bản, Đức, Italy, và cuộc đua 24 giờ tại Pháp và London. Tuy nhiên họ sẽ phải gặp những rắc rối trên cuộc hành trình của chính mình cũng như đúc kết những bài học kinh nghiệm từ cuộc sống.

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...