Le célèbre Flash McQueen n'est plus le roi des circuits. Le bolide a trouvé plus fort que lui en Jackson Storm qui aligne les records de vitesse. Même après avoir été lâché par son sponsor, il ne veut pas baisser les bras. La retraite, il la prendra quand il le décidera. Il repart retrouver ses amis qui vivent à Radiator Springs, sur la Route 66. Il s'y rend avec une nouvelle coach qui doit faire ses preuves. Ensemble, ils commencent un entraînement intensif tout en sachant que l'ex-champion n'a quasi aucune chance de battre Jackson Storm lors de la prochaine course...