O filme começa com o espião britânico Finn McMissile (Michael Caine) em uma plataforma de petróleo em uma missão para descobrir o que o cientista do mal Professor Zündapp (Thomas Kretschmann) está planejando, mas é descoberto e forçado a fugir antes que ele possa encontrar mais detalhes. Enquanto isso, depois de vencer a Copa Pistão, pela quarta vez, Relâmpago McQueen (Owen Wilson) volta a Radiator Springs e reencontra seu melhor amigo Mate (Larry The Cable Guy). Enquanto vê o anúncio do primeiro World Grand Prix patrocinado pelo ex-magnata do petróleo Miles Eixo de Roda (Eddie Izzard) para promover seu novo combustível renovável, Allinol, Mater fica com raiva quando o carro F1 Francesco Bernoulli (John Turturro) começa gabando-se como ele é muito mais rápido de McQueen e ele consegue entrar em contato com o estúdio de TV por telefone para confrontá-lo. McQueen intervém e aceita o desafio de Bernoulli para correr contra ele no Grand Prix. Por sugestão da namorada de McQueen,Sally, Mate viaja com ele para Tokyo, Japão para a primeira etapa do Grand Prix, mas serve apenas para constranger Mcqueen. Enquanto isso, McMissile e sua companheira Holley (Emily Mortimer) para fazer contato com um espião americano (Bruce Campbell), que tem informações sobre a identidade superior de Zündapp. O agente é confrontado por agentes de Zündapp, mas ele consegue prender o chip em Mate antes de ser capturado. Finn e Holley entram em contato com Mate, mas ele sem entender pensa que Holley gosta dele e marca um "encontro". Quando a corrida começa, McMissile e Holley descobrem dezenas de capangas Zündapp infiltrados na corrida indo atrás de Mate. Holley então fala por rádio com Mate para que ele fuja, inadvertidamente dá McQueen maus conselhos que lhe causa a perder a corrida enquanto segue os comandos de Hooley. Enquanto isso, Zündapp usa gerador de radiação eletro-magnética para inflamar a Allinol em vários carros de corrida. Zangado com o comportamento vergonhoso Mate, bem como causando sua perda, McQueen tem uma briga com Mate e este decide voltar para Radiator Springs, onde ele é pego por McMissile (que ainda acredita Mate é um espião americano) e convocado para frustrar Zündapp.
