Complètement pris au dépourvu, le légendaire Lightning McQueen est évincé par une nouvelle génération de voitures de course encore plus rapides, celles qu'il aime tant. Pour pouvoir rivaliser à nouveau, il a besoin de l'aide de Cruz Ramirez, une jeune technicienne de course ambitieuse. Pour ramener Lightning au sommet, elle a déjà élaboré un plan. S'inspirant du défunt Doc Hudson et utilisant quelques manœuvres de conduite inattendues, elle compte mettre son projet à exécution. Pour prouver que le numéro 95 n'est pas encore obsolète, Lightning doit montrer son esprit de combattant sur la plus grande scène de la course du Piston Cup.