Déstabilisé par une nouvelle génération de coureurs ultrarapides, le légendaire Lightning McQueen (voix d'Owen Wilson) est soudainement écarté du sport qu'il aime. Pour revenir dans la course, il aura besoin de l'aide d'une jeune technicienne de course enthousiaste, Cruz Ramirez (voix de Cristela Alonzo), qui a son propre plan pour gagner, ainsi que de l'inspiration de feu Fabulous Hudson Hornet et de quelques rebondissements inattendus. Prouver que le numéro 95 n'est pas encore fini mettra à l'épreuve le cœur d'un champion sur la plus grande scène de la Piston Cup Racing !