Verblind door een nieuwe generatie razendsnelle racers, wordt de legendarische Bliksem McQueen (stem van Owen Wilson) plotseling uit de sport geduwd waar hij van houdt. Om terug in het spel te komen, heeft hij de hulp nodig van een gretige jonge racetechnicus, Cruz Ramirez (stem van Cristela Alonzo), met haar eigen plan om te winnen, plus inspiratie van wijlen Fabulous Hudson Hornet en een paar onverwachte wendingen. Bewijzen dat #95 nog niet klaar is, zal het hart van een kampioen testen op het grootste podium van Piston Cup Racing!