Völlig onvoorbereid wordt de legendarische Lightning McQueen verdrongen door een nieuwe generatie razendsnelle racewagens uit de sport, waar hij zo van houdt. Om weer mee te kunnen doen, is hij afhankelijk van de hulp van de ambitieuze en jonge racetechnica Cruz Ramirez. Om Lightning weer aan de top te brengen, heeft zij al een plan bedacht. Met de overleden Doc Hudson als voorbeeld en enkele onverwachte rijmanoeuvres wil ze haar plan uitvoeren. Om te bewijzen dat startnummer 95 nog niet tot het oude ijzer behoort, moet Lightning zijn vechtershart op het grootste podium van de Piston Cup-race tonen.