Surpreendido por uma nova geração de corredores incrivelmente rápidos, o lendário Relâmpago McQueen é repentinamente afastado do esporte que ama. Para voltar com tudo às corridas, ele precisará da ajuda de uma determinada jovem treinadora de corridas, Cruz Ramirez. Com o seu plano para vencer, mais a inspiração do Fabuloso Doc Hudson e alguns acontecimentos inesperados, eles partem para a maior aventura de suas vidas.