На земле, населённой антропоморфными говорящими машинами, финальная гонка Кубка Поршня заканчивается трёхсторонней ничьёй между уходящим на пенсию ветераном Чипом «Кингом» Тюнингом, частым призёром Чико Хиксом и дерзким новичком-сенсацией Молнией Маккуином; решающая гонка запланирована через неделю на международной автостраде в Калифорнии. Маккуин отчаянно пытается выиграть гонку, ведь он не только станет первым новичком, выигравшим Кубок Поршня, но он также сможет сменить непривлекательного спонсора Ржавейку, компанию по производству мазей для бамперов, и занять место Кинга в престижной компании Dinoco. Чико предлагает пари - кто быстрее доберется до Лос Анджелеса. Молния на своем перевозщике по имени Мак отправляется в путешествие по Межштатной автомагистрали 40. Мак решает передохнуть на проезжаемой мимо стоянке для грузовиков, но МакКуин не соглашается. Ночью приезжает банда стритрейсеров, в результате чего Маккуин выпадает на дорогу. ему приходится пробиватся,уворачиваясь от других машин. он сьезжает с автомагистрали на Шоссе 66, но попадает в городок Радиатор-Спрингс, где случайно повреждает главную дорогу.

На следующий день городской судья Док Хадсон приказывает Маккуину немедленно покинуть город, но местный адвокат Салли просит назначить Маккуину общественные работы для ремонта дороги, на что Док неохотно соглашается. Все ещё спеша покинуть город, Маккуин некачественно ремонтирует дорогу и получает указание отремонтировать её снова. За это время он привязывается к городу и становится другом для нескольких его жителей. Он узнаёт, что Радиатор-Спрингс когда-то был популярной остановкой на Трассе 66, пока его не обошла в обход Система межштатных автомагистралей США, и в результате город оказался забыт. Также стало известно, что Док был «Хадсоном Хорнетом», трёхкратным чемпионом Кубка Поршня, карьера которого закончилась преждевременно из-за серьёзной аварии. Маккуин привязывается к Салли, которая обрела счастье, оставив быструю жизнь в Лос-Анджелесе, переехала в Радиатор-Спрингс и теперь мечтает вернуть город на карту. Маккуин заканчивает ремонт дороги, воодушевляет жителей города и решает провести дополнительный день в Радиатор-Спрингс со своими новыми друзьями, но его пребывание внезапно прерывается, когда в город приезжают Мак и СМИ. Маккуин неохотно уезжает в Калифорнию, чтобы успеть к гонке, в то время как Салли злится на Дока, выяснив, что он рассказал СМИ о местонахождении Маккуина.

На гонке Маккуин едет растерянно и вскоре оказывается на последнем месте. Затем он с удивлением обнаруживает, что Док, поняв свою ошибку, занял место руководителя его команды, а несколько других его друзей из Радиатор-Спрингс помогают на пит-стопе. Вдохновлённый и вспомнив трюки, которым он научился у Дока и его друзей, Маккуин выходит в лидеры, но на последнем круге Чико, не желая снова проигрывать Кингу, ударяет по борту и отправляет Кинга в опасную аварию. Вспоминая судьбу Дока, Маккуин останавливается совсем рядом с финишной чертой, позволяя Чико победить, и возвращается, чтобы дотолкать Кинга за финишную черту. В результате разгневанная толпа и СМИ осуждают победу Чико, но восхваляют спортивное поведение Маккуина. Маккуину предлагают спонсорство Dinoco, но он отказывается и остаётся с Ржавейкой из-за их поддержки в прошлом. Вернувшись в Радиатор-Спрингс, Маккуин воссоединяется с Салли и объявляет, что он создаст в городе свою гоночную штаб-квартиру и тем самым вернёт Радиатор-Спрингс на карту, а также становится учеником Дока.