Flash McQueen, star des circuits automobiles, est menacé par une nouvelle génération de bolides surentraînés et à la technologie très avancée. Rapidement, il est devancé dans les classements par Jackson Storm, le plus puissant d'entre eux, tandis que les amis de Flash prennent peu à peu leur retraite. Flash découvre que ses sponsors historiques ont vendu leur affaire à un passionné de course, qui lui propose de suivre un entraînement spécial assuré par Cruz, une coach enthousiaste. Malgré les avertissements de Cruz, Flash veut sauter les étapes et grille le simulateur du centre d'entraînement. Vexé, il décide de s'entraîner de son côté pour se préparer à une course importante, la semaine suivante en Floride, qui décidera ou non de son départ en retraite. Cruz le suit. Flash s'entraîne sur la plage mais ne parvient pas à améliorer son temps. Il roule sur un vieux circuit et s'inscrit, maquillé et sous un faux nom, à une course, qui est en réalité un « demolition derby ». Il parvient à en sortir sans une éraflure, mais c'est Cruz qui gagne la course sur un coup de chance. Flash est furieux et se dispute avec Cruz. Réconciliés, ils retrouvent d'anciennes légendes de la course et suivent leur entraînement, cette fois avec succès. Le jour de la course en Floride, Flash est toujours plus lent. ì la faveur d'un tour de sécurité, il cède sa place à Cruz qui, coachée par Flash, gagne la course.