Chuyện phim tiếp tục theo chân Lighting McQueen (Owen Wilson) - tay đua bất khả chiến bại của Piston Cup trong nhiều năm liền. Một ngày nọ, anh bị Jackson Storm (Armie Hammer), một siêu xe thuộc thế hệ mới, đánh bại.
Dần dà, những người bạn cũ của nhà cựu vô địch đều bị thay thế bởi hàng loạt chiếc xe hiện đại, sở hữu tốc độ vượt trội. Trong vòng đua cuối cùng của mùa giải, McQueen cố gắng đuổi theo Storm, nhưng rồi gặp phải tai nạn nghiêm trọng.
Sau nhiều tháng tĩnh dưỡng, chàng trai "số 95" màu đỏ thắm quyết tâm tập luyện theo phương pháp mới, nhằm giành lại ngôi vị quán quân mà mình từng nắm trong tay.