征战沙场多年，闪电麦昆（欧文·威尔逊 Owen Wilson 配音）早已成为经验丰富的老将。对于现在的他来说，比赛更像与老友们的聚会，大家共同享受狂奔带来的乐趣。然而这和谐的一幕很快被残酷的现实打破，以风暴杰克逊（艾米·汉莫 Armie Hammer 配音）为代表的次世代高科技赛车相继步入赛场，他们凭借更加优良的性能与高科技的组装改造将老一代赛车一一淘汰，甚至包括王者麦昆。四个月后，伤愈的麦昆决定复出，而他也被合作多年的赞助商转到了斯特林（内森·菲利安 Nathan Fillion 配音）麾下。接受从内到外的全新改造后，麦昆在教练科鲁兹·拉米雷斯（克里斯黛拉·阿朗索 Cristela Alonzo 配音）的监督下展开训练。然而他面临着一项严峻的考验，如果他不能在接下来的比赛中取得胜利，那么他必须从此退休。
希望渺茫，不服输的麦昆能否重新取得胜利的荣光……
参加世界大奖赛五年后，七届活塞杯冠军闪电麦昆 (Lightning McQueen) [5]发现自己的光芒被杰克逊·斯托姆(Jackson Storm) 所掩盖，杰克逊·斯托姆是新一代赛车中的一员，使用最新的技术来提高他们的表现。随着风暴队在整个赛季取得成功并吸引了其他新秀，大多数老将要么退役，要么被赞助商解雇。在洛杉矶举行的本赛季最后一场比赛中，在双方进站后，闪电开始落后于风暴。他试图跟上，但这样做时轮胎爆了，并遭受了严重的碰撞，使他受了重伤，并提前结束了他有记录以来最糟糕的赛季，而斯托姆继续赢得了活塞杯。
四个月后，从车祸中恢复过来的闪电决定继续比赛，并给他的赞助商 Rusty 和 Dusty Rust-eze 打电话，后者透露他们已将 Rust-eze 卖给了一位名叫斯特林的商人。斯特林指派闪电队在克鲁兹·拉米雷斯手下训练，他在那里努力适应现代训练方法。闪电意外损坏模拟器后，斯特林试图迫使他退休。闪电坚称自己仍然可以参加比赛，但他提出，如果他赢得了即将到来的佛罗里达 500 大赛，他可以决定是否继续参加比赛；否则他将立即退休。斯特林不情愿地接受了这笔交易。闪电尝试在附近的火球海滩进行训练，但最终大部分时间都花在教克鲁兹如何在沙滩上开车。随后，闪电试图在著名的雷霆山谷土道上秘密参加一场比赛，但无意中进入了一场8 字形 拆除德比与克鲁兹，她赢得了胜利，两人都隐藏了自己的身份。当克鲁兹意外转向避开一辆运水车时，闪电的掩护被揭穿，导致他翻倒并将水洒在闪电身上，这增加了他的耻辱。
闪电因浪费时间照顾克鲁兹而感到沮丧，他对她大发雷霆，不小心打碎了她的奖杯。心烦意乱的克鲁兹透露，她一生都想成为一名像闪电一样的赛车手，但由于她觉得自己永远不可能成为一名赛车手，所以从未参加过比赛。她辞去了闪电队教练的职务，返回训练中心。闪电感到内疚，但别无选择，他打电话给他的朋友马特寻求建议。他建议闪电在哈德森博士的导师斯莫基的家乡佐治亚州托马斯维尔找到他，所以闪电追上了克鲁兹并说服她重新加入他。在那里，他遇到了斯莫基，斯莫基透露，尽管多克再也没有参加过比赛，但他在训练闪电中找到了新的快乐。在闪电承认自己永远不可能像暴风雨一样快之后，斯莫基和博士的老朋友路易丝·“Barnstormer”·纳什、里弗·斯科特和朱尼尔·“午夜”月亮帮助他学习新技巧来克服他的速度劣势，并以克鲁兹为他的助手陪练伙伴。然而，在最后一场练习赛中，克鲁兹突然超越了他，他的记忆中闪回了撞车的情景，动摇了他的信心。
在佛罗里达 500 大赛中，闪电队从后面起步，但在维修站斯莫基的帮助下，逐渐提升了排名。斯特林仍然认为闪电队无法获胜，她命令克鲁兹回到训练中心，为接下来的比赛准备新秀，尽管她想留下来观看比赛。闪电无意中听到了对话，想起了克鲁兹的赛车梦想，避免了一场大规模的多车连环相撞，并让他的团队为她配备了装备，让她代替他参加比赛，并相信她是击败暴风女的关键。虽然一开始还有些不稳定，但得益于闪电在维修站的指导，克鲁兹得以提升排名，并最终排在暴风女之后。感到受到威胁，他试图恐吓克鲁兹，甚至在最后一圈将她撞到墙上。克鲁兹使用了多克的老招之一，翻倒了暴风女，
当克鲁兹庆祝她的胜利时，斯特林向她提供了在他的团队中的一个职位，但她却接受了迪诺科的所有者特克斯迪诺科的还价。由于闪电和克鲁兹都穿着#95，所以两人都赢得了比赛，这意味着闪电可以决定他是否完成比赛。一段时间后，闪电和克鲁兹回到散热器泉，闪电透露特克斯已经从斯特林手中购买了 Rust-eze。现在，闪电穿上了医生的旧赛车颜色，决定继续比赛，但在本赛季首先训练克鲁兹。