Um espião britânico chamado Finn McMissil e seu companheiro, o barco Crabby estão em uma plataforma de petróleo “habitada” em missão para descobrir o que um cientista do mal chamado Zündapp está planejando.
Mas é descoberto e forçado a fugir antes que ele possa encontrar mais detalhes. Enquanto isso, depois de vencer a Copa Pistão, pela quarta vez, Relâmpago McQueen volta a Radiator Springs e reencontra seu melhor amigo Mate.
Enquanto vê o anúncio do primeiro Grand Prix Mundial patrocinado pelo ex-magnata do petróleo Miles Eixoderroda para promover seu novo combustível renovável, Allinol.
Mate se enfurece quando o carro de F1 italiano Francesco Bernoulli começa gabando-se como ele é muito mais rápido de McQueen e ele consegue entrar em contato com o estúdio de TV por telefone para confrontá-lo.
McQueen intervém e aceita o desafio de Bernoulli para correr contra ele no Grand Prix.
Por sugestão da namorada de McQueen, Sally, Mate viaja com ele para Tóquio, Japão para a primeira etapa do Grand Prix, mas constrange (muito) Mcqueen.
Enquanto isso, McMissil e sua companheira Holley Caixadibrita se encontram para fazer contato com o espião americano Rod “Torque” Redline, que tem informações sobre a identidade superior de Zündapp.
O agente é confrontado por agentes de Professor Z, Grem e Acer. Mas ele consegue prender o dispositivo em Mate antes de ser capturado. Finn e Holley entram em contato com Mate, mas ele sem entender pensa que Holley gosta dele e marca um “encontro”.
Quando a corrida começa, Finn e Holley descobrem dezenas de capangas do Professor infiltrados na corrida indo atrás de Mate. Holley então fala por rádio com Mate para que ele fuja, inadvertidamente dá a McQueen, os maus conselhos que lhe causa a perder a corrida enquanto segue os comandos de Holley. Enquanto isso, Zündapp usa um gerador de radiação eletro-magnética para inflamar a Allinol em vários carros de corrida. Zangado com o comportamento vergonhoso de Mate, bem como causando a perda da corrida, McQueen tem uma briga com Mate e este decide voltar para Radiator Springs, onde ele é pego por Finn (que ainda acredita que Mate é um espião americano) e convocado para frustrar o plano de Professor Z.
Na Itália, onde a segunda etapa do Grand Prix está sendo realizada, Mate consegue se infiltrar uma das reuniões dos criminosos disfarçado de outro caminhão de reboque. Ele acha que a cadeia misteriosa de acidentes ocorridos durante as corridas é parte de um plano para desacreditar a Allinol e garantir que todos os carros continuem usando o combustível convencional para garantir os lucros de sua organização, que conseguiu assegurar maior dos recursos do petróleo inexploradas do mundo. Com a maioria dos carros fora da corrida devido a explosões, McQueen e Francesco acabam em primeiro e segundo, respectivamente. Miles afirma que com o Allinol sob suspeita ele decide suspender a utilização do combustível para a terceira etapa final e na Inglaterra, mas McQueen afirma que ele confia no combustível de Eixo de Roda e manterá a usá-lo. Os criminosos então decidem ter de destruir McQueen na próxima corrida. Mate revela-se por acidente e corre para avisar o amigo, mas é capturado junto com McMissil e Holley antes de ser capaz de fazê-lo.
Mate acorda amarrado dentro do “Big Bentley” juntamente com os dois espiões, a poucos minutos de ser esmagado por suas engrenagens. A última corrida começa e os criminosos usam o dispositivo de radiação sobre McQueen, mas surpreendentemente, nada acontece. Mate descobre que uma bomba foi colocada no pit-stop de Relâmpago, aí ele consegue escapar para avisar seus amigos. logo depois, Finn e Holley escapam, mas descobrem que a bomba está realmente dentro do filtro de ar de Mate. Eles avisam-no sobre a bomba apenas quando ele está prestes a se juntar aos demais, e foge para protegê-los. Desconhecendo a situação, McQueen segue Mate tentando se desculpar. Até que McQueen alcança-o, enganchando o eixo de sua roda no gancho de Mate e este aciona os foguetes para evitar danos a ele.
Zündapp descobre que o dispositivo da bomba estava fora do alcance do sinal(por causa dos foguetes do guincho) e então tenta detonar a bomba a todo custo. Ele então envia seus capangas para destruí-los, mas são derrotados pelos esforços combinados de McMissil, Holley, e os moradores de Radiator Springs(Xerife, Ruivo, Sally, Ramone, McQueen, Mate, Flo, Guido, Luigi, Sargento e Fillmore. Holley ordena que Zündapp desative a bomba em Mate, e este faz o que lhe foi ordenado. Mas não dá certo. O Professor alega que só quem instalou ele é capaz de fazê-lo. Mate, em seguida, descobre que o verdadeiro mandante por trás dos criminosos é Miles Eixo de Roda cujo objetivo era fazer o mundo abandonar o uso de todos os combustíveis alternativos em favor das reservas de petróleo em seu poder. Miles acaba confirmando a suspeita de Mate quando ele é confrontado por ele e forçado a desativar a bomba. Depois, Mate abre o capô de Miles e isso revela o motor misterioso da foto de Holley. Por parar os planos de Eixo de Roda, Mate é nomeado SirTom Mate pela Rainha Elizabeth II e volta para casa com seus amigos, onde os carros da corrida decidem participar de um campeonato em Radiator Springs. Revela-se também que o Sargento substituiu o Allinol no pit-stop pela mistura de combustível orgânica, que é o que impediu Relâmpago de ser afetado pela pulso-radiação. Os corredores do Grand Prix Mundial vêm a cidade para participar do “Grand Prix de Radiator Springs”, Finn e Holley fazem uma visita a Mate e o convidam para se juntar a eles em outra missão secreta, mas ele recusa, afirmando que está no lugar que ele deveria estar.
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