Völlig unvorbereitet wird der legendäre Lightning McQueen von einer neuen Generation rasend schneller Rennwagen aus dem Sport verdrängt, den er so liebt. Um wieder mithalten zu können, ist er auf die Hilfe der ehrgeizigen und jungen Renntechnikerin Cruz Ramirez angewiesen. Um Lightning zurück an die Spitze zu bringen, hat sie auch schon einen Plan ausgeheckt. Mit dem verstorbenen Doc Hudson als Vorbild und einigen unerwarteten Fahrmanövern will sie ihr Vorhaben umsetzen. Um zu beweisen, dass die Startnummer 95 noch nicht zum alten Eisen gehört, muss Lightning sein Kämpferherz auf der größten Bühne des Piston Cup Rennens unter Beweis stellen.