Dépassé par une nouvelle génération de bolides ultra-rapides, le célèbre Flash McQueen se retrouve mis sur la touche d’un sport qu’il adore. Pour revenir dans la course et prouver qu’il a toujours sa place dans la Piston Cup, il devra faire preuve d’ingéniosité. L’aide d’une jeune mécanicienne pleine d’enthousiasme qui rêve elle aussi de victoire, lui sera d’un précieux secours…