Лучи славы, падающие на Радиатор-Спрингс, уже не кажутся такими ослепительными для чемпиона Молнии Маккуина. Рутинные победы на местных трассах начинают терять свою остроту, и его ждёт новый, глобальный вызов — первый в истории World Grand Prix (WGP). Этот престижный турнир, разворачивающийся на трёх континентах, спонсирует эксцентричный миллиардер и энтузиаст «зелёных» технологий сэр Майлз Карданвал. Его цель — не только найти нового лучшего гонщика планеты, но и с помпой представить миру революционное экологичное топливо «Аллинол», созданное из растительных масел. Для сэра Майлза это вопрос принципа — доказать миру, что бывший нефтяной магнат может стать лицом устойчивого будущего.
Для Маккуина же WGP — это возможность вновь почувствовать вкус борьбы, помериться силами с новыми соперниками, главный из которых — дерзкий и щеголеватый итальянец Франческо Бернулли, не упускающий случая унизить «деревенского» американского гонщика. Старый наставник Маккуина, Док Хадсон, понимает, что одному таланту против мировых звёзд мало, и устраивает для протеже жёсткие тренировки. Однако сам Маккуин, уверенный в своих силах, думает не только о гонках. Желая сделать приятное своему верному, но вечно попадающему впросак другу Мэтру, он берёт того с собой в международное турне в качестве пит-стопера. Для наивного грузовичка из захолустья это путешествие кажется воплощением самой смелой мечты.
Но за парадным фасадом мирового спорта скрывается мрачная и опасная реальность. Турнир WGP неожиданно становится эпицентром тайной войны между разведками. Британское суперсекретное агентство во главе с неподражаемым суперагентом Финном МакМисслом и его остроумной, блестяще замаскированной под скромную аналитика напарницей Холли, выходит на след масштабного заговора. Неизвестный злодей, скрывающийся за личиной одного из участников чемпионата, планирует серию диверсий, чтобы публично дискредитировать «Аллинол» и уничтожить его создателя, сэра Майлза. Цель — сохранить мировой рынок в зависимости от традиционной нефти.
Их пути кардинально пересекаются с Мэтром, которого по роковой и абсурдной ошибке принимают за столь же легендарного, сколь и неуловимого американского суперагента. Скромный и простодушный тягач, ошарашенный внезапным вниманием со стороны роскошной Холли, даже не подозревает, что влип в смертельно опасную шпионскую игру. Пока Маккуин целиком сосредоточен на скорости и тактике обгона на крутых виражах Токио, солнечного Порто-Корсо и туманного Лондона, его лучший друг невольно саботирует гоночные этапы, становясь главной мишенью для таинственного злодея, известного как «Профессор Цундапп». Армия последнего — отряды безжалостных и угрожающих автомобилей — преследует Мэтра по всему миру.
Теперь от действий простодушного грузовика, чья единственная суперсила — безграничная преданность другу, зависят не только исход престижного чемпионата и жизнь самого Маккуина, но и будущее глобальной энергетики. Ему предстоит пройти через огонь терактов, воду океанских глубин и медные трубы международного шпионажа, чтобы раскрыть в себе истинную храбрость. Ему необходимо разобраться в хитросплетениях интриг, довериться новым союзникам и доказать, что даже самый маленький и незначительный на первый взгляд автомобиль способен стать большим героем и спасти мир, пока его лучший друг мчится к финишу.
