Champion sur les circuits de course automobile depuis très longtemps, le légendaire Flash McQueen est un jour évincé de son sport par la nouvelle génération de voitures de course ultrarapides. Refusant d'abandonner, il décide de s'associer avec la jeune entraineuse Cruz Ramirez, qui utilise les nouvelles technologies pour former ses poulains. Flash McQueen comprend bien vite qu'il n'y a aucune machine qui pourra être aussi efficace pour s'exercer qu'une vraie piste de course. Il prendra donc la route avec son entraineuse pour se perfectionner et tenter de vaincre son plus grand adversaire, le jeune et arrogant Jackson Storm.