화려한 성공과 갈채를 꿈꾸는 주인공 라이트닝 맥퀸(목소리 오웰 윌슨 분)은 경주에서 성공하는 것만이 인생의 모든 것이라 생각하는 타오르는 청춘. 하지만 피스톤 컵 챔피온쉽에 참가하기 위해 달리던 중 경쟁과 함성과는 동떨어진 '래디에이터 스프링스'란 한적한 시골로 들어서게 된다.
 이제는 지도에 조차 표시되지 않는 한적한 66번 국도. 조용하지만 다양한 캐릭터들이 큰 열정을 간직하고 있는 이곳에서 맥퀸은 미스터리한 과거를 지닌 닥 허드슨(목소리 폴 뉴먼 분)과 샐리(목소리 보니 헌트 분) 그리고 메이터(목소리 래리 더 케이블 가이)를 만나게 된다. 그들을 통해 인생이란 목적지가 아닌, 여행하는 과정 그 자체이며 명성과 스폰서, 트로피 뒤에 가려진 소중한 가치를 깨닫게 되는데...