La célèbre voiture de course Flash McQueen et l'incomparable dépanneuse Martin quittent Radiator Springs pour courir le tout premier Grand Prix mondial qui sacrera la voiture la plus rapide du monde. Mais la route est pleine d'imprévus, de déviations et de surprises, surtout lorsque Martin se retrouve entraîné dans une affaire d'espionnage international !...