Trois bolides gagnent ex aequo la plus célèbre course : la Piston Cup. Une seconde course, pour les départager, aura lieu une semaine plus tard en Californie. Le plus jeune d'entre eux, Flash McQueen, superbe engin dernier cri, tombe, durant son sommeil, du camion qui le transporte en Californie. Ce dernier, fatigué, ne s'aperçoit de rien. Flash se perd sur une petite route, finit par être poursuivi pour excès de vitesse et endommage le petit tronçon de route de Radiator Springs. Cette petite ville s'est appauvrie car les voitures, qui auparavant s'y arrêtaient pour se ravitailler, filent sur l'autoroute construite non loin de là. Le lendemain, Flash est condamné à réparer le tronçon de route. Peu à peu, il sympathise avec les habitants, notamment avec Sally, belle Porsche qui a quitté sa vie trépidante d'avocate par amour des paysages grandioses des alentours, et avec Martin, une vieille dépanneuse au grand c?ur. La route réparée, Flash hésite pourtant à repartir. Mais le juge de paix Doc Hudson, qui se révèle être un ancien vainqueur de la Piston Cup, avertit les médias. En Californie, Flash participe à la course en pensant à ses nouveaux amis. Heureusement, ils le rejoignent tous pour le supporter. Finalement, Flash est acclamé par le public lorsqu'il préfère perdre la course pour soutenir le vieux champion accidenté. Il installe son QG à Radiator Springs, où il file le parfait amour avec Sally.