El número 95 "Rayo McQueen" continúa siendo un coche de carreras de primera, pero sus días como principiante han llegado a su fin. Tras haber ganado cuatro veces la Copa Pistón, "Rayo", que ahora reside en Radiador Springs, se ha convertido en una auténtica estrella mundial.

Tras su última victoria, Rayo regresa a su hogar para disfrutar de una temporada tranquila junto con su novia Sally, su mejor amigo Mate y el resto de su familia de Radiador Springs. Pero su descanso se ve inesperadamente interrumpido cuando Mate, sin darse cuenta, anima a Rayo a participar en el Gran Premio Mundial, una destacada competición automovilística en tres etapas que lo llevará a correr por todo el mundo.

Con pintura fresca para la ocasión y con verdaderos faros delanteros, Rayo parte hacia Japón, Italia e Inglaterra en compañía de su amigo Mate para embarcarse en la gran aventura de sus vidas. Pero competir contra los coches más veloces del mundo pone a prueba algo más que sus habilidades en la pista, cuando advierte que su amigo puede no ser el mejor jefe de boxes ni el representante que necesita para aventurarse en el desconocido terreno internacional.