Сюжет
Фильм начинается с видеосообщения от британского агента Леланда Турбо для агента Финна Макмисла, в котором Леланд просит Финна спасти его, так как Леланда начали подозревать. Финн тайно прибывает на нефтеплатформу, с которой было отправлено сообщение. На платформе собралась банда старых и дефектных автомобилей под руководством профессора Цундаппа (или Цета) и неизвестного руководителя. Финну удалось сделать фотографии необычной телекамеры, которая показалась ему подозрительной.
Внезапно выносят спрессованного в куб Леланда Турбо. Увидев его, Финн невольно выдаёт себя. Приспешники Цета гонятся за ним, но он прыгает с платформы в океан и плывёт. Его преследователи спускают на воду катера, которые открывают огонь по Финну, но тот уходит под воду, обманув врагов, которые сочли его погибшим от взрыва торпеды…
Четырёхкратный чемпион Кубка Большого Поршня — гоночный автомобиль Молния Маккуин возвращается домой, в Радиатор-Спрингс, после очередной победы, и воссоединяется с лучшим другом Мэтром и подругой Салли, а также со всеми жителями городка.
Тем временем бывший нефтяной магнат Майлс Карданвал, первый электромобиль и ярый защитник окружающей среды, объявляет о серии гонок под названием «Мировое Гран-При», в которой сойдутся все именитые гонщики мира на трёх трассах в Токио, Порто-Корсе (вымышленный город в районе Ривьеры) и Лондоне, чтобы прорекламировать биотопливо «Аллинол». Итальянский гонщик «Формулы-1» Франческо Бернулли во время телемоста с Радиатор-Спрингсом начинает всячески расхваливать себя и унижать Маккуина. Мэтр вступается за друга, а последний, услышав это, тоже вмешивается в разговор. Рассорившись с Франческо, Маккуин соглашается на участие в гонках. По настоянию Салли, он берёт Мэтра с собой.
Позднее выясняется, что группа старых и дефектных автомобилей под руководством профессора Цета и неизвестного руководителя обладают крупнейшим месторождением нефти в мире. Чтобы сохранить свои доходы, а заодно и отомстить окружающим за насмешки в свой адрес, они планируют саботировать «Мировой Гран-При», поджигая «Аллинол» с помощью излучающего оружия, замаскированного под вышеупомянутую телекамеру. Без видимых причин взрывов общественность должна была подумать, что во всём виноват «Аллинол», и тем самым утвердиться во мнении, что традиционный бензин безопаснее.
Британский агент Финн Макмисл и его помощница Холли Делюкс пытаются сорвать этот план. Первоочередной задачей для них становится встреча с американским шпионом Родом «Конём» Редлайном на «Мировом Гран-При» в Токио для того, чтобы получить информацию о руководителе. Однако Редлайн оказывается загнанным в угол приспешниками Цета. Ему приходится «слить» информацию первому встречному, каковым, по стечению обстоятельств, оказывается Мэтр. Самого Редлайна берут в плен и впоследствии ликвидируют, поджигая «Аллинол» в его моторе. В результате Делюкс и Макмисл принимают Мэтра за американского агента.
Во время первой гонки в Токио Макмисл и Холли помогают Мэтру уклониться от приспешников Цета. Маккуин принимает разговоры Мэтра с Холли за указания и уступает первое место Франческо. Между тем Цундапп использует оружие на гонщиках Мигеле Камино, Рипе Культогнерски и Максе Шнеле. Возмущённый поведением Мэтра, Маккуин ссорится с ним. Огорчённый Мэтр решает вернуться в Радиатор-Спрингс, оставив Маккуину записку с извинениями. В аэропорту его перехватывает Макмисл, который, будучи всё ещё уверенным в том, что Мэтр — американский шпион, посвящает его в планы профессора Цета. Вместе с Холли они улетают сначала во Францию, где сверяют имеющиеся сведения с информацией, полученной от французского торговца Тумбера, а потом направляются в Италию.
Во время второй гонки в Италии замаскированный Мэтр проникает на встречу четырёх кланов дефектных машин — марок «Zastava Yugo», «Запорожец», «AMC Gremlin» и «AMC Pacer». Там он пытается узнать, кто является главным злодеем, однако ему удаётся увидеть на экране только мотор этого автомобиля. В это время подручные профессора Цета — Грэм и Эйсер — испытывают своё оружие на гонщиках. Макмисл пытается помешать им, но его примагничивает вертолёт преступников. Луч попадает в бразильскую гонщицу Карлу Гоньяло, и она теряет управление. Чуть позже луч выводит из строя британского гонщика Найджела Газли.
В то время как повреждённые автомобили эвакуируют с трассы, луч попадает в японского гонщика Сю Тодороки, и многочисленные участники гонки, оказавшиеся сзади, врезаются в него — целы остались только два гонщика, Джефф Горветт и Льюис Хэмилтон, ехавшие в хвосте. Тем временем Франческо и Маккуин приезжают к финишу. На этот раз Маккуин занял первое место.
После случившегося все обвиняют Майлса и его биотопливо, ставя под угрозу срыва финальную гонку в Лондоне. Ему приходится разрешить гонщикам использовать обычный бензин, но Маккуин, ещё не подозревающий ничего плохого, решает поддержать приунывшего Майлса и заявляет, что он будет использовать «Аллинол». Профессор Цет в бешенстве приказывает убить Маккуина, который срывает его планы. Мэтр, нервничая, выдаёт себя и сбегает. Однако его всё равно ловят с помощью газа и берут в плен, как и Холли.
Когда Мэтр приходит в себя, выясняется, что он находится внутри часов Биг-Бентли вместе с Финном и Холли. Мэтр признаётся своим «коллегам», что он не секретный агент, а обычный эвакуатор, да ещё и с низким уровнем интеллекта. В это время преступники уже используют оружие на всю мощь, чтобы убить Маккуина, но у них ничего не выходит. Мэтру удаётся сбежать, и он едет предупредить всех о том, что на пит-стопе находится бомба. На полдороге, однако, выясняется, что в действительности бомба заложена под капот самого Мэтра. И она сработает, когда Маккуин приблизится к ней. Заметив Мэтра, Маккуин едет ему навстречу, чтобы извиниться за свою вспыльчивость.
Понимая, что катастрофа близка, Мэтр пытается отдалиться от друга на безопасное расстояние и объяснить, что они оба сильно рискуют, но Маккуин его не слушает. Он просит прощения у Мэтра за ссору в Токио и стремительно нагоняет его. Бомба, однако, не срабатывает из-за того, что Мэтр и Маккуин оказываются вне зоны действия. В это время, с помощью друзей Маккуина, всех злодеев уже схватывают армия и полиция, однако всё ещё не известно, кто же зачинщик всей этой истории. На бомбе включается таймер. Арестованный профессор Цундапп объясняет, что обезвредить бомбу может только тот, кто её установил (бомба оборудована голосовым датчиком, но он не распознаёт голоса Цета и Мэтра).
Перед Букингемским гаражом Мэтр, воспользовавшись своими знаниями о запчастях и моторах, устанавливает, что идейный вдохновитель и главный злодей — не кто иной, как сам Майлс Карданвал. Общественность в шоке, и все спрашивают у Мэтра, уверен ли он в таком серьёзном обвинении. Но он всё равно стоит на своём. Удивлённый Майлс отпирается до последней секунды, однако потом ему уже ничего не остаётся, кроме как обезвредить бомбу. Теперь нет сомнений, что он и есть тот самый руководитель.
В довершение ко всему, когда Карданвал открывает свой капот, выясняется, что на самом деле он не первый в мире электромобиль, а простая дефектная машина с двигателем внутреннего сгорания, и что якобы изобретённый им «Аллинол» — никакое не эко-топливо, а самый обычный бензин. Скотланд-Ярд арестовывает его за мошенничество. После всей этой истории Мэтра посвящает в рыцари сама королева Великобритании, а затем он вместе с друзьями отправляется домой, в Радиатор-Спрингс, где все гонщики принимают участие в неофициальном городском Гран-При. Перед началом гонки Филмор рассказывает Маккуину, что Сержант заменил «Аллинол» на самое настоящее биотопливо, поскольку не доверял Майлсу. Это и уберегло гонщика от гибели. Мэтр оставляет себе реактивные турбины, так что теперь он может соревноваться со своим другом.
Серия заканчивается титрами, показывая главных героев, путешествующих по всему миру — от Австралии до России.
