Abertura: A Missão de Finn McMÃssil
O filme começa em alto-mar com o espião britânico Finn McMÃssil, que investiga uma plataforma de petróleo suspeita. Lá, ele descobre que, na verdade, o local é uma base secreta usada por vilões para construir armas. McMÃssil é perseguido por vários inimigos e, após uma intensa perseguição cheia de gadgets e disfarces, ele escapa no mar fingindo a própria explosão. Essa abertura já estabelece o clima de espionagem que guia toda a trama.
Radiator Springs e a Grande Oportunidade
Enquanto isso, na pacata Radiator Springs, o campeão de corridas Relâmpago McQueen retorna de férias após conquistar mais uma temporada da Copa Pistão. Seus amigos o recebem com festa, e o atrapalhado Mate, seu melhor amigo, está mais animado do que nunca. A tranquilidade acaba quando surge um novo campeonato mundial de corridas, o Grand Prix Mundial, organizado pelo bilionário Sir Miles Axlerod, que deseja promover o uso de um combustÃvel alternativo chamado Allinol. McQueen é desafiado pelo arrogante piloto italiano Francesco Bernoulli, o que o convence a participar do torneio. McQueen aceita competir e leva Mate junto para a viagem internacional.
A Chegada ao Japão
A primeira etapa acontece em Tóquio, no Japão, onde McQueen precisa enfrentar Bernoulli. Mate, sem entender os costumes locais, acaba causando situações constrangedoras, como usar incorretamente os talheres em um jantar formal e até provocar McQueen durante entrevistas. Enquanto isso, Finn McMÃssil e sua parceira Holley Caixadibrita, uma agente inexperiente mas inteligente, estão de olho em uma conspiração. Eles confundem Mate com um espião disfarçado e começam a segui-lo.
A Conspiração dos Carros Desmanche
O público descobre que o campeonato está sendo sabotado por um grupo de carros antigos e enferrujados liderados pelo misterioso vilão conhecido como Professor Zündapp. Eles utilizam uma câmera especial que faz os motores dos carros explodirem quando usam o combustÃvel Allinol. O plano do Professor Z e de seus capangas é desacreditar o combustÃvel alternativo e, assim, garantir que o petróleo continue sendo indispensável.
Mate no Mundo da Espionagem
Por uma série de mal-entendidos, Mate é confundido com um agente secreto por McMÃssil e Holley. Ele recebe equipamentos de espionagem e, mesmo sem entender nada, acaba atrapalhando os vilões em várias ocasiões. Enquanto isso, McQueen fica frustrado com as trapalhadas de Mate e chega a discutir com ele, dizendo coisas que magoam profundamente o amigo.
Corridas e Sabotagens
As corridas seguem pelo mundo: Itália e depois Inglaterra. Em cada etapa, mais sabotagens acontecem, e pilotos explodem por conta da arma secreta. Bernoulli se aproveita disso para provocar ainda mais McQueen. Em paralelo, Mate descobre aos poucos que os vilões estão ligados a um misterioso "chefão" que nunca aparece, apenas dá ordens.
A Verdade Sobre o Allinol
Durante as investigações, Mate, McMÃssil e Holley percebem que o objetivo real é destruir a reputação do Allinol para que o mundo rejeite combustÃveis alternativos. O verdadeiro mandante do plano é revelado: Sir Miles Axlerod, o próprio criador do campeonato. Ele, na verdade, é um carro a combustão disfarçado, que queria sabotar o Allinol e garantir que o petróleo continuasse sendo a única fonte de energia viável.
O ClÃmax em Londres
O torneio chega à sua última etapa em Londres, onde os vilões planejam eliminar McQueen de uma vez por todas. Mate é capturado, mas consegue escapar e descobre que colocaram uma bomba nele sem que percebesse. A bomba é ativada e só pode ser desarmada pelo "dono" do dispositivo, que é o próprio Axlerod. Em uma corrida contra o tempo, Mate confronta Axlerod e o obriga a confessar, revelando ser ele o verdadeiro vilão. Com isso, McMÃssil e Holley conseguem prender o magnata, salvando McQueen e todos os corredores.
Desfecho em Radiator Springs
De volta a Radiator Springs, McQueen e Mate fortalecem sua amizade. McMÃssil e Holley convidam Mate para trabalhar como espião, mas ele recusa, preferindo continuar vivendo em sua cidade com os amigos. Holley, no entanto, admite sua admiração por ele, deixando Mate emocionado. O filme termina com uma grande corrida entre todos os personagens em Radiator Springs, celebrando amizade, confiança e lealdade.