Dépassé par une nouvelle génération de bolides ultra-rapides, le célèbre Flash McQueen se retrouve mis sur la touche d'un sport qu'il adore. Pour revenir dans la course et prouver, en souvenir de Doc Hudson, que le Nº 95 a toujours sa place dans la Piston Cup, il devra faire preuve d'ingéniosité. L'aide d'une jeune mécanicienne pleine d'enthousiasme, Cruz Ramirez, qui rêve elle aussi de victoire, lui sera d'un précieux secours...