長年戦場で戦い続けた後、ライトニング・マックィーン（オーウェン・ウィルソンの声）は長い間経験豊富な退役軍人となっています。今の彼にとって、このゲームはむしろ旧友との集まりのようなもので、みんなで激しく走る楽しみを楽しんでいる。しかし、この調和のとれた光景は、すぐに残酷な現実によって打ち砕かれました。ストーム・ジャクソン（声：アーミー・ハマー）に代表される次世代のハイテクレーシングカーが、より優れたパフォーマンスとハイテクな組み立てと変革を携えて次々と競技場に登場しました。 、彼らはキング・マックィーンを含む旧世代のレーシングカーを次々と排除します。 4ヵ月後、負傷したマックィーンは復帰を決意し、長年協力してきたスポンサーによってスターリング（声：ネイサン・フィリオン）に移籍することになった。内側から外側への新たな変化を受け入れた後、マックィーンはコーチのクルーズ・ラミレス（声：クリステラ・アロンゾ）の監督の下でトレーニングを開始した。しかし、次の試合で勝てなければ、今から引退しなければならないという厳しい試練が待っている。負けを認めないマックィーンが勝利の栄光を取り戻すことはできるのか……。