El espía británico Finn McMissile se infiltra en una plataforma petrolífera propiedad de un grupo de coches limón para rescatar a su compañero espía Leland Turbo, que ha descubierto su propia tapadera. Es testigo de cómo los limoneros, aparentemente dirigidos por el profesor Zündapp, cargan un emisor de impulsos electromagnéticos, disfrazado de cámara, en una caja de transporte. Tras descubrir la muerte de Leland, un estallido de llamas revela su presencia a los criminales, y escapa fingiendo su muerte.

Rayo McQueen es ahora tetracampeón de la Copa Pistón, rebautizada como Copa Pistón Hudson Hornet, tras la reciente muerte de su mentor Doc Hudson, y regresa a Radiator Springs para pasar la temporada baja con sus amigos. Sin embargo, el corredor italiano de fórmula, Francesco Bernoulli, desafía a McQueen a correr en el recién creado Gran Premio Mundial, dirigido por su creador Sir Miles Axlerod, que pretende promocionar su nuevo combustible ecológico, Allinol. McQueen y su mejor amigo Mater -junto con Luigi, Guido, Fillmore y Sarge- parten hacia Tokio para la primera carrera del Gran Premio.

En un acto promocional del Gran Premio, Mater monta una escena después de comerse un bol de Wasabi y se escapa al escenario, avergonzando a McQueen delante de todos. Mientras se limpia, Mater interrumpe una pelea entre el espía estadounidense Rod "Torque" Redline (el contacto de Finn y Holley) y los limoneros Grem y Acer. Redline coloca su dispositivo de rastreo en Mater, haciendo que Finn y Holly lo confundan con el espía. Mientras tanto, Redline es capturado y asesinado por el profesor Zündapp, quien revela que Allinol se incendia al ser alcanzado por el pulso EMP de antes. Zündapp informa a su superior, una mente maestra desconocida, de que Redline pasó su información. Holley encuentra a Mater y lo recluta para detener el complot de Zündapp.

En la primera carrera, tres coches son encendidos por la cámara. McQueen queda en segundo lugar en la carrera después de Bernoulli, debido a que Mater le da accidentalmente un mal consejo de carrera mientras evade a los secuaces de Zündapp con ayuda de Holley y Finn. McQueen arremete contra Mater, que regresa a Radiator Springs, pero es secuestrado por Finn cuando los limones se acercan a ambos, y huyen en el jet de Finn, Siddeley. Tras viajar a París para recabar más información del viejo amigo de Finn, Tomber, viajan a Porto Corsa, Italia, donde se celebra la segunda carrera. Durante la carrera, Mater se infiltra en la reunión de los criminales, justo cuando la cámara se utiliza en algunos coches más, provocando un choque múltiple, mientras McQueen termina en primer lugar. Debido a los crecientes temores sobre la seguridad del Allinol, Axlerod levanta la exigencia de usarlo para la carrera final. Sin embargo, cuando McQueen decide seguir usándolo, los criminales planean matar a McQueen en la siguiente carrera en Londres. Esto asusta a Mater, haciéndole perder su tapadera y permitiendo que él, Finn y Holley sean capturados.

Mater, Finn y Holley son llevados y atados dentro del Gran Bentley, donde él les admite que no es el espía que creen que es. Cuando comienza la carrera final, McQueen toma la delantera de la carrera antes de pasar a Big Ben. Sin embargo, la cámara estaba inexplicablemente defectuosa en McQueen. Pero los criminales le dicen que han colocado una bomba en sus boxes como plan de reserva, lo que le lleva a liberarse y escapar. Finn y Holley escapan poco después, pero se dan cuenta de que la bomba estaba colocada en el filtro de aire de Mater cuando estaban desmayados, ya que los criminales predijeron que Mater ayudaría a McQueen. Mater ya había llegado a los boxes cuando le dicen esto, así que huye por el hipódromo mientras McQueen le persigue para disculparse por su anterior arrebato. Finn detiene al profesor Zündapp mientras éste intenta escapar. Los otros limones llegan y superan en número a Finn, Holley, Mater y McQueen, pero pronto son rescatados por la llegada de los demás residentes de Radiator Springs. Mater y McQueen se dirigen al Palacio de Buckingham, donde Mater acusa a Axlerod como el cerebro del complot, demostrado tras obligarle a desactivar la bomba de Mater. Se revela que Axlerod nunca fue un eléctrico: tenía grandes inversiones en petróleo crudo, que habría subido de valor una vez que el fracaso del Allinol desprestigió la idea del combustible ecológico. Después de que Axlerod sea arrestado por las autoridades británicas, Mater recibe un título de caballero honorífico de la Reina y McQueen y Mater se reconcilian.

De vuelta a Radiator Springs, Mater cuenta su historia a todos los presentes, justo cuando Finn y Holley se detienen. Entonces Fillmore revela que Sarge cambió el Allinol por el combustible orgánico de Fillmore, lo que explica la ineficacia de la cámara sobre él. Se celebra un "Gran Premio de Radiator Springs" en el que participan todos los aspirantes al Gran Premio Mundial. Mater rechaza una invitación de Finn y Holley para ir a otra misión, eligiendo quedarse en Radiator Springs. Aunque los agentes confiscan sus armas, se queda con los cohetes y alcanza a McQueen con ellos. La película termina con McQueen saliendo a toda velocidad con Mater detrás de él, justo cuando Siddeley se aleja a toda velocidad.