Trama
La película inicia con una transmisión enviada por el agente Leland Turbo (Jason Isaacs) a su amigo, el agente Finn McMissile (Michael Caine). McMissile se dirige a la localización a encontrarse con Turbo a bordo de un barco pesquero: El FV Northwestern (del documental de Discovery Channel, Pesca Mortal) en algún lugar sobre el Océano Pacífico y se infiltra a escondidas en una plataforma petrolífera. Un grupo de autos conocidos como "Láminas", encabezados por el Profesor Zündapp (Thomas Kretschmann), están discutiendo sobre sus futuros planes, incluyendo un arma con forma de cámara de televisión que pronto planean poner en acción. Sin embargo McMissile no llega a enterarse para qué sirve la supuesta cámara, pues a los pocos segundos descubre que Turbo ha sido transformado en un cubo tras ser descubierto en la plataforma petrolífera. Aún sorprendido por la destrucción de su amigo, McMissile es descubierto y se ve forzado a escapar. Tras una persecución, McMissile es arrojado al mar y le disparan un cohete. El profesor Z, (como se apoda a Zündapp) y el grupo de "Láminas" creen haber hecho estallar a McMissile y lo dan por muerto. Sin embargo, este posee modificaciones que le permiten nadar bajo el agua. Una vez que pasa el peligro, McMissile huye buceando del lugar.
Mientras tanto, en otra parte del planeta, el Rayo McQueen (Owen Wilson) regresa a su hogar en Radiator Springs después de ganar su cuarta Copa Pistón (renombrada Copa Pistón Hudson Hornet, en memoria de Doc Hudson, quien falleció algún tiempo atrás), dispuesto a pasar más tiempo con su mejor amigo Tom Mate (Larry the Cable Guy) y su novia Sally Carrera (Bonnie Hunt). Durante una cena con Sally en el Wheel Well Motel, los autos ven por televisión en el programa de Mel Dorado un anuncio sobre el "Grand Prix Mundial" , una serie de carreras donde participarán los autos de carreras más rápidos del mundo, evento organizado por Sir Miles Axlerod (Eddie Izzard), un antiguo magnate del petróleo que supuestamente se convirtió en un vehículo eléctrico y ahora busca promover su combustible renovable y no dañino, Allinol. McQueen recibió una invitación para participar, pero la rechazó, ya que quiere descansar y pasar tiempo con su novia y amigos en el pueblo. Ante esto, un corredor italiano de Fórmula 1 llamado Francesco Bernoulli (John Turturro) se burla de él y lo insulta en televisión a nivel nacional. Esto provoca que Mate llame al programa y salga en defensa de su amigo. Cuando McQueen descubre a Mate hablando al programa toma el teléfono, discute con Francesco y accede a entrar en el Grand Prix. Por insistencia de Sally, McQueen acepta llevarse a Mate con él, aunque pronto comienza a arrepentirse cuando, en la inauguración del evento, la inocente grúa empieza a avergonzarlo con su comportamiento, y trata de convencerlo de que se controle.
Durante la fiesta de recepción del Grand Prix Mundial en Tokio, Finn McMissile se reúne con su nueva compañera, la espía novata Holley Shiftwell (Emily Mortimer), quien le informa que un agente secreto norteamericano, Rod "Torque" Redline (Bruce Campbell), se infiltró entre las "Láminas" y descubrió a la mente maestra detrás de la conspiración y está planeando reunirse con ellos para compartir la información. Sin embargo, Redline es atacado en el baño por los secuaces de Zündapp y se ve obligado a dejar el chip con la información que obtuvo en el chasis de Mate sin que estos se den cuenta, antes de que lo capturen. Como resultado, Shiftwell y McMissile asumen que Mate es su contacto americano, dejando que de este modo sea inevitable el secuestro de Redline. Shiftwell se acerca para hablar con Mate sobre reunirse y éste, enamorado a primera vista de la hermosa agente, cree que está invitándolo a una cita.
Redline es, mientras tanto, capturado por las láminas y llevado a la plataforma petrolífera. Allí, Zündapp le explica que la supuesta cámara es realmente un arma que dispara radiaciones electromagnéticas y hace explotar cualquier motor que contenga Allinol dentro. Acto seguido, Zündapp y sus hombres llenan el tanque de Redline con Allinol y lo interrogan sobre quién es el auto al que le dejó la información. Al final, debido a la tortura que la radiación le da a Redline, éste confiesa que es Mate. Zündapp sube la potencia y Redline explota, muriendo en el acto.
Mientras, comienza la primera carrera y al inicio, Francesco Bernoulli consigue tomar la delantera rápidamente en las rectas, pero McQueen logra rebasarlo al entrar en el tramo de tierra, usando las tácticas que aprendió de Doc Hudson. McMissile y Shiftwell contactan por la radio a un todavía ignorante Mate, intentando advertirle que los secuaces de Zündapp lo tienen rodeado; y en el proceso, Mate sin darse cuenta le da un mal consejo a McQueen que provoca que pierda el liderazgo en la carrera. Mientras tanto, Zündapp utiliza el arma en varios de los corredores provocando que sus motores estallen y se accidenten. Mate abandona los pits y sale a la ciudad siguiendo las indicaciones de Shiftwell, creyendo todavía que se trata de una cita y presencia una pelea entre McMissile y las láminas. La carrera termina y Francesco Bernoulli gana, seguido por McQueen. Harto ya del comportamiento embarazoso de Mate y furioso de que lo hiciera perder la carrera, McQueen le dice a Mate que no necesita ni quiere su ayuda y que es por eso que nunca lo lleva a sus carreras.
Entristecido, Mate decide regresar a Radiator Springs, dejándoles una carta a McQueen y al resto del equipo. Pero McMissile, quien todavía cree que Mate es un espía americano, lo intercepta en el aeropuerto antes de que se vaya y para arrastrarlo todavía a frustrar los planes de Zündapp. Tras ser atacados y perseguidos por las láminas, logran escapar a bordo del avión de McMissile, Siddeley. McMissile y Shiftwell extraen el chip que le había dejado Redline, pero se dan cuenta que lo único que tiene es una fotografía del motor de la mente maestra. Sin embargo, con solo verla Mate se da cuenta que es un motor modificado con partes muy difíciles de conseguir por ser recambios originales, muy populares entre las láminas, por lo que McMissile deduce que si pueden determinar quién las vende y a quién se las vendió, encontrarán al misterioso villano.
En Italia, donde tendrá lugar la segunda carrera, el equipo de McQueen visita el hogar de Luigi, donde conocen a su Tío Topolino y su esposa Mamá Topolino, que en bienvenida organizan una pequeña fiesta familiar. McQueen comienza a sentirse culpable por haber tratado mal a su mejor amigo. Al verlo decaído, Tío Topolino habla con McQueen y le dice que cuando Luigi y Guido trabajaban para él, peleaban todo el tiempo y hasta por tonterías y le asegura que hasta los mejores amigos pelean a veces, pero lo importante es que siempre se perdonan, con lo que consigue que McQueen se anime un poco y decida reconciliarse con Mate en cuanto lo vea. Al mismo tiempo, Mate junto con McMissile y Shiftwell visitan un viejo mercado de partes en París en busca de un informante, un auto de tres ruedas llamado Tomber (Michel Michelis). Este sujeto, en efecto, sí vendió las partes que vieron en la fotografía, pero no sabe a quién, ya que siempre lo hace por teléfono. De cualquier manera, gracias a él descubren que las láminas pronto tendrán una reunión que se llevará a cabo en Porto Corsa, Italia, exactamente en el sitio donde será la segunda carrera.
Los espías van a bordo de su tren, Stephenson y equipan a Mate con algunos accesorios, incluyendo un sistema de disfraz holográfico, ametralladoras, un paracaídas y cohetes de propulsión, accionados con comandos de voz. Al probar el dispositivo de disfraz, Shiftwell nota que por las abolladuras que tiene Mate en el chasis el disfraz no se le ajusta del todo bien e intenta arreglárselas, pero Mate le pide que no lo haga, porque son valiosas para él, recuerdos de todo lo que ha hecho con su mejor amigo.
Mate, disfrazado, se infiltra en la reunión de los criminales y descubre cuál es el plan de Zündapp y la misteriosa mente maestra (que desgraciadamente no aparece en persona). Las láminas tienen en su poder las mayores reservas petroleras no explotadas del mundo, y logrando desprestigiar a los combustibles alternativos durante el Gran Prix, obligarán a todos los autos del mundo a acudir a ellos por su petróleo. Los secuaces utilizan el arma en la mayor parte de los autos durante la carrera. A pesar de las dificultades, McQueen consigue ganarla, logrando vengarse al derrotar a Bernoulli en su propio terreno. Después del desastre con el Allinol, Axlerod suspende su uso para la carrera final en Inglaterra; sin embargo, McQueen decide que seguirá usándolo. Los criminales deciden dar su golpe maestro liquidando a McQueen en la última carrera; al escuchar esto, Mate accidentalmente rompe el dispositivo de disfraz y es descubierto. Se escapa para tratar de advertirle a su amigo, pero las láminas no lo dejan y termina siendo capturado junto con McMissile y Shiftwell.
Mientras está inconsciente, Mate tiene una pesadilla donde se ve a sí mismo y se da cuenta de que realmente se ha comportado como un idiota y todos se burlan de él, hasta que despierta atado dentro del Big Ben de Londres, junto con McMissile y Shiftwell, que están a solo minutos de terminar aplastados por los engranajes. Los criminales quieren que Mate vea en primera fila como usan el arma para matar a McQueen durante la carrera, pero cuando la accionan por alguna razón no funciona. De modo que deciden recurrir al "plan de emergencia": una bomba que está escondida en los pits de McQueen. Mate se libera y escapa para advertirles del peligro, pero McMissile y Shiftwell se dan cuenta de que en realidad lo dejaron escapar a propósito y que la bomba la pusieron en el filtro de aire de Mate para destruir a McQueen. Lo contactan por la radio justo a tiempo para advertirle y al darse cuenta Mate huye para tratar de proteger a sus amigos. Sin embargo, McQueen al verlo lo persigue, determinado a pedirle perdón y reconciliarse, sin saber del peligro que corre, pero afortunadamente logran salirse del rango del detonador de Zündapp.
Cuando Holley acorrala a Zündapp, este huye y sus secuaces se van personalmente a acabar con McQueen y Mate, pero son rodeados por McMissile, Shiftwell y los residentes de Radiator Springs, con ayuda de Scotland Yard y la armada británica. Después de haber capturado a Zündapp, le ordenan que desactive la bomba, pero este les dice que solo la voz del auto que la activó puede desactivarla. Mate se da cuenta que la mente maestra detrás de toda la conspiración resulta ser Miles Axlerod, y de inmediato vuela junto con McQueen hasta el palacio de Buckingham a enfrentarlo, amenazándolo con la bomba. Axlerod primero niega todo, diciendo que Mate es un loco, sin embargo Mate también descubre que fue Axlerod quien derramo aceite en la fiesta de Japon solo que culpo a Mate aquella noche, pero con el contador casi llegado a cero, se ve obligado a desactivar la bomba para salvarse a sí mismo, confirmando las sospechas. Mate entonces revela a todos que Axlerod en realidad nunca se convirtió en un vehículo eléctrico abriendo su capó para que vean su motor, exactamente el mismo de la fotografía.
En reconocimiento por haber detenido y derrotado a Axlerod, Mate es nombrado caballero por la Reina de Inglaterra. Todos regresan a Radiador Springs donde Mate relata su historia en el café de Flo a los visitantes, aunque algunos se muestran escépticos hasta que Finn y Holley aparecen para confirmar que es cierto. Cuando McQueen se pregunta por que el rayo no funcionó en él, más aún cuando Shiftwell explica que el Allinol en realidad solo era gasolina modificada para que cuando recibiera el rayo hiciera explosión, Fillmore les revela que Sarge reemplazó el Allinol con el combustible orgánico de Fillmore, ya que después de lo ocurrido no se fiaba del todo de Axlerod ("Un petrolero siempre es petrolero", según sus palabras). Los competidores organizan un Grand Prix no oficial, para correr solo "por la emoción". Finn y Holley piensan invitar a Mate a unírseles en otra misión de espionaje, pero él les dice que Radiador Springs es su hogar. Holley lo acepta, y promete volver pronto ya que “aún le debe su primera cita”. Finn en agradecimiento le deja a Mate quedarse con los cohetes de propulsión, y este los utiliza para competir en la carrera y competir con McQueen y los demás, mientras Finn y Holley parten hacia su siguiente misión a bordo de Siddeley.
Posteriormente en los créditos se muestra que Miles fue arrestado y enjuiciado por perjuicios y tentativa de asesinato.
