開發出新能源 － 「車能樂」（Allinol）的邁爵士(Sir Miles Axlerod)召開世界格蘭披治大賽，各路好手紛紛雲集，獨缺四屆洲際盃冠軍閃電麥坤。 閃電麥坤（英語：Lightning McQueen）自從贏得洲際盃之後便成為賽車界的超級巨星，繼續參加各種賽車比賽。這次他拿了第四個洲際盃冠軍，回到油車水鎮見老朋友，本來想要就此放自己一個大假。由於義大利方程式賽車超哥(Francesco)的挑釁，拖線(Mater)替麥坤報了名，麥坤最終同意參加世界大賽，並帶同車隊好友團隊一同參加在日本東京、義大利波多港（虛構）和英國倫敦舉行的各段賽事。 英國特務飛彈麥克（左），拖線（中，他被飛彈麥克誤以為是來自美國的特務）和英國女特務郝莉莉（右）在一起

這次環遊世界的比賽，還帶上從未出國過的拖線一起出門，拖線終於有機會出國旅遊，覺得大開眼界，不過也因此鬧了不少笑話。而在日本站比賽的前一天，拖線偶然結識了英國秘密情報局特務飛彈麥克(Finn McMissile)與郝莉莉(Holley Shiftwell)，他們正在追查一個跟石油公司密切相關的犯罪集團的行蹤。拖線陰差陽錯之下被郝莉莉當作美國來的街頭特務，由此捲入了麻煩之中。在次日的比賽中，麥坤與超哥競爭激烈，與此同時不斷有賽車意外著火爆缸，拖線則撞見飛彈麥克和神秘組織火拼的場面。 這次他們從美洲到亞洲再到歐洲，橫跨三洲，將行遍天下無敵車，更多精采的賽車實況以及緊張刺激的諜匪情節，將會考驗閃電麥坤的賽車技術與拖線的友情，最終破壞比賽賽車的幕後黑手露出真正面目。