新エネルギーを開発したアール・マイルズはワールドカップ・レーシング・グランプリを招集し、各界の専門家が集まったが、唯一欠けていたのはピストン・カップの覇者ライトニング・マックィーン（声：ファン・レイ）だった。彼は温泉街に戻り、親友のバン・ヤー（声：ファン・ウェイ）とガールフレンドのサリーと一緒に幸せな休暇を楽しんでいたことが判明しました。イタリアのフォーミュラレーシングカー、ファラス・ゴーの挑発、そしてもちろん嫉妬もあって、マックィーンはついにワールドカップ出場を承諾し、バーニャや他の仲間たちとともに世界中を旅した。日本の放送局の前日、バーニャは犯罪組織の新たな動向を追っていた英国エージェントのマイク・フライングとホリー（声：ヤオ・チェン）に偶然出会った。バーニャはホリーにアメリカからの共同工作員と誤解され、トラブルに巻き込まれてしまう。翌日の競技会ではマックィーンがファラス・ガオと激闘を繰り広げる一方、選手たちのシリンダー誤爆が相次ぎ、バーニャはマイクと謎の組織が交戦する場面に遭遇する。この一連の事故によりマックィーンとバーニャの友情は揺らぎ、その黒幕のボスも徐々にその素顔を現していく…。