Sekali lagi Lightning McQueen (Owen Wilson) harus berlaga dalam sebuah perlombaan untuk menentukan mobil tercepat di dunia. Kali ini misi Lightning McQueen tak mudah karena ada serangkaian balapan yang harus ia selesaikan kalau ia ingin disebut sebagai mobil tercepat di dunia. Untungnya Mater (Larry the Cable Guy) selalu setia menemani Lightning meski kali ini Mater juga punya masalah sendiri yang harus diselesaikan.

Balapan yang harus diselesaikan Lightning kali ini terdiri dari lima etape yang diselenggarakan di lima negara berbeda. Etape pertama adalah menuruni Gunung Fuji, dilanjutkan dengan balap di Jerman yang melewati Black Forest. Selanjutnya Lightning harus berangkat ke Italia dan dilanjutkan ke Perancis dan Inggris. Masing-masing etape ini punya tantangan tersendiri dan Lightning harus mampu mengatasinya.

Sayangnya, Mater yang seharusnya membantu Lightning malah terjebak dalam sebuah dilema. Di satu sisi Mater harus memastikan Lightning dalam kondisi terbaik agar bisa memenangkan semua etape dan keluar sebagai juara namun di sisi lain Mater juga terjebak dalam urusan spionase antar negara. Mater punya tugas rahasia yang harus ia selesaikan.