Кажется, только вчера Молния Маккуин был молодым и дерзким новичком. Но время не стоит на месте. Он по-прежнему знаменитость и всё ещё участвует в гонках, но уже чувствует, что мир вокруг меняется. Появляется новое поколение гоночных машин, быстрых, высокотехнологичных и... очень самоуверенных. Лидер этой новой волны — гоночный автомобиль по имени Джексон Шторм. Он молод, силён и играет по своим правилам.
Всё идёт к тому, что Маккуин начинает проигрывать. Он больше не самый быстрый на прямой. Авария на одной из ключевых гонок становится для него жёстким. Он серьёзно повреждён, и все, включая его спонсоров, начинают говорить, что его время прошло. Ему даже намекают, что пора подумать о пенсии и стать лицом бренда, а не гонщиком.
Но Маккуин не может просто так сдаться. Он хочет доказать, что ещё способен на большее. Чтобы вернуться в форму, он отправляется в тренировочный центр, который когда-то принадлежал его старому наставнику, Доку Хадсон. Там он встречает новую тренера — машинку по имени Крус Рамирес. Она умная, знает всю теорию, но у неё нет никакого реального гоночного опыта. Маккуин же ждал увидеть крутого профессионала, а не симулятор в виде автомобиля.
Их сотрудничество начинается со ссор. Маккуин считает, что Крус ничего не понимает в настоящих гонках, а Крус видит, что Маккуин упрям и не хочет учиться новому. Всё меняется, когда они вместе сбегают из центра, чтобы найти секретные песчаные трассы, где когда-то тренировался сам Док. Именно там, на этих диких дюнах, старый чемпион начинает понимать, что его главная проблема — не в мощности двигателя, а в голове. Он потерял свою хватку и ту самую хитрость, которой научил его Док.