Rayo McQueen sigue siendo el mejor coche de carreras del mundo, pero ahora que es uno de los más veteranos del circuito, debe demostrar a todo el mundo que aún puede ganar una gran carrera y que no necesita jubilarse. En esta ocasión, el famoso bólido de carreras tendrá que enfrentarse a una nueva generación de corredores más jóvenes, potentes y veloces, que amenaza con cambiar el deporte de su vida. Entre ellos está el competitivo y revolucionario Jackson Storm, que no se lo pondrá nada fácil.

Jimmy está desempleado, divorciado y no tiene un duro, Clyde perdió un brazo en la guerra de Irak y ahora trabaja de camarero en un antro, y Mellie es una peluquera obsesionada con los coches, los tres son hermanos y están empeñados en burlar una supuesta maldición familiar. Para ello van a robar la cámara acorazada del circuito de carreras Charlotte Motor Speedway, durante la celebración de la carrera Coca-Cola 600 en Carolina del Norte. Para poder llevar a cabo el plan necesitarán a un experto en demoliciones, Joe Bang. El único pequeño inconveniente es que está en la cárcel.