Sur une station pétrolière off-shore, l'agent secret britannique Finn McMissile découvre que le professeur Z a fabriqué une arme. ì Radiator Springs, Flash McQueen retrouve ses amis et s'engage à participer à un tournoi automobile sponsorisé par Axlerod, le fabricant d'un carburant écologique : l'Allinol. Il se rend à Tokyo avec son équipe et son ami Martin. McMissile retrouve son contact japonais, Holley, mais leur indic' a juste le temps de remettre des documents confidentiels à Martin, à son insu, avant d'être détruit par les méchants. Holley et McMissile sont persuadés que Martin est l'agent américain. Ce malentendu provoque la défaite de McQueen, furieux contre Martin. Pendant la course, l'arme fait exploser plusieurs voitures. Malgré lui, Martin fait équipe avec les espions et les accompagne à Paris, puis à Porto Corsa, où a lieu la seconde course. D'autres explosions remettent en cause le tournoi. Martin et les espions sont capturés par les bandits qui les emmènent à Londres, où se déroule la troisième course. Là, ils parviennent à se libérer et Martin essaie de prévenir McQueen qu'il est la prochaine cible des bandits. Les espions découvrent que Martin porte une bombe télécommandée. Ce dernier comprend alors qui est derrière la construction de l'arme et confond Axlerod, qui a voulu discréditer l'essence écologique pour vendre son pétrole.