Une voiture de course et son meilleur ami, une dépanneuse maladroite et naïve, se retrouvent au coeur d'une histoire d'espionnage internationale.
Après avoir remporté quatre fois la Piston Cup, Flash McQueen rentre à Radiator Springs. Un magnat du biocarburant le convainc de participer à une série de courses à travers le monde. Il s'y rend accompagné par Martin, qui va se retrouver au coeur d'un complot international fomenté par le Professeur Z...