Der legendäre Lightning McQueen gibt wieder Vollgas, doch völlig unvorbereitet wird er diesmal von einer neuen Generation rasend schneller Rennwagen aus dem Sport verdrängt, den er so liebt. Um wieder mithalten zu können, ist er auf die Hilfe der ehrgeizigen und jungen Renntechnikerin Cruz Ramirez angewiesen, die auch schon einen Plan ausgeheckt hat, um Lightning zurück an die Spitze zu bringen. Mit dem verstorbenen Doc Hudson als Vorbild und einigen unerwarteten Fahrmanövern will sie ihr Vorhaben umsetzen. Um zu beweisen, dass die Startnummer #95 noch nicht zum alten Eisen gehört, muss Lightning sein Kämpferherz auf der größten Bühne des Piston Cup Rennens unter Beweis stellen.