汽车世界中，一年一度的活塞杯再次拉开序幕。红色跑车“闪电”麦坤和“冠军”、“路霸”是冠军最有力的竞争者。作为新人，麦坤具有极高的天赋，同时也是一个目空一切的家伙。经过紧张激烈的对抗，这三辆车同时冲过终点线。由于无法判定最终优胜者，组委会决定一个月后在加州洛杉矶召开一次只有这三辆车参加的殊死战，只有最后的胜者才能捧得活塞杯。
信心满满麦坤和搭档拖车麦大叔早早启程。但是长时间的疲劳驾驶，令麦大叔不慎将麦坤丢在半路。麦坤东闯西撞，无意间来到了被众车遗忘的油车水镇。因躲避警长的追捕，麦坤毁坏了小镇的马路。在法官哈迪逊韩大夫和律师保时捷莎莉的裁决下，他被迫留在这里修路。短短几天相处，麦坤和小镇的居民渐渐融洽起来，同时他也爱上了美丽的莎莉。只不过，路终有修完的时候，未完的比赛仍在等待着他……
在一个充斥着拟人化车辆的世界里，活塞杯赛季的最后一场比赛 Dinoco 400 开始了七届冠军脱衣舞“国王”韦瑟斯之间的竞争，他希望在退休前赢得他的第八个活塞杯冠军。亚军奇克·希克斯（Chick Hicks）通过强制撞车和其他犯规手段取得领先，以及才华横溢但傲慢的新秀闪电麦昆（Lightning McQueen）。在球场后面，闪电避免了奇克故意造成的多车相撞。当其他赛车进站更换新轮胎时，他却试图留在外面并取得领先，这让维修站工作人员非常沮丧。当他的后轮胎在最后一圈爆胎时，这个计划最终适得其反。Chick 和 King 追上，三人并列第一；决胜局定于下周在洛杉矶国际赛道举行，决出冠军。闪电迫切希望赢得比赛，不仅是为了成为第一个赢得活塞杯的新秀，还因为这能让他离开无光的赞助药膏公司Rust-eze，取代国王在赛车上的位置。著名的 Dinoco 团队。然而，由于自私，他很难与他人合作，
闪电渴望尽快到达加利福尼亚州，他推动他的运输车麦克连夜开车。当闪电正在睡觉时，麦克打瞌睡，被一群不良改装车惊醒，导致拖车内的一个物品掉落到打开拖车门的按钮上，这又导致闪电从拖车后部滚出上路了，还在睡觉。闪电在车流中醒来，飞速冲出高速公路寻找麦克。相反，他以为这是州际公路，沿着美国 66 号公路行驶，最后到达了破败的沙漠小镇散热器泉 ( Radiator Springs)，在那里他被小镇警长追赶。并无意中损坏了主干道的路面。第二天，镇法官兼医生哈德森医生发现闪电是一辆赛车，命令他立即离开小镇，但镇检察官莎莉·卡雷拉要求闪电应该分配社区服务用机器重新铺路，医生勉强同意了。闪电急于前往加利福尼亚州，为了匆忙离开，把道路重新铺得粗劣。然而，Doc并不满足，他向闪电挑战一场比赛，条件是如果他赢了，他就可以离开；如果他赢了，他就可以离开；如果他赢了，他就可以离开。比赛最终在一条泥土赛道上举行，而闪电从未在这条赛道上比赛过。闪电在转弯时旋转并撞到了仙人掌丛中，失去了方向并被迫重新开始铺路。
在此期间，闪电开始对这个小镇产生兴趣，并与镇上的几位居民成为了朋友，特别是与生锈的拖车马特一起进行“拖拉机倾卸” ，并成为他最好的朋友。他还与莎莉建立了浪漫的关系，莎莉放弃了洛杉矶的奢华生活，搬到了散热器泉，现在梦想着让这座小镇重新名声大噪。随后，闪电了解到 40 年前，散热器温泉曾经是美国 66 号公路沿线的一个热门站点，直到随着40 号州际公路的建设而被绕过，几乎被遗忘，而 Doc 就是神话般的哈德逊大黄蜂 是三届活塞杯冠军，他的职业生涯在 1954 年一场毁灭性的车祸后结束。他最终修复了道路，并决定在 Radiator Springs 多呆一天，帮助当地企业。他还为自己赢得了一套由Luigi和Guido提供的新轮胎，以及由Ramone提供的新油漆工作。然而，博士向媒体通报了闪电的位置，导致他们和麦克降落在小镇上，迫使闪电及时离开参加比赛。看到居民们对他的意外离开感到失望后，医生立即对自己的行为感到后悔。
比赛中，由于无法与新朋友告别，闪电在比赛中心不在焉，最终落后了一圈。然后，他惊讶地发现，多克改变主意后，接任了他的船员组长，而散热器泉的大多数朋友都在维修站帮忙。受到启发并回忆起从 Doc 和他的朋友那里学到的技巧，闪电成功恢复并跃居领先位置。在最后一圈，Chick 进行了PIT 操作并使国王陷入危险的车祸。在看到屏幕上的撞车事故后，闪电不希望国王的职业生涯以与医生相同的方式结束，闪电在距离终点线不远的地方停下来，开车回来将国王推过终点线，这样他就可以完成他的最后一场比赛，让奇克赢得比赛和活塞杯。结果，观众和媒体愤怒地谴责奇克的胜利，但赞扬闪电的体育精神。闪电代替 Chick 获得了 Dinoco 的赞助，但出于对 Rust-eze 过去支持的忠诚，他拒绝了并继续留在 Rust-eze。回到散热器泉，闪电与莎莉重聚，并宣布他将在那里设立他的赛车总部，让这座小镇重新出现在地图上。