De grote ster uit het racecircuit Lightning McQueen en zijn trouwe mecanicien en vriend Mater reizen naar Japan en Europa voor hun eerste grote Grand Prix. Maar alsof de snelste auto ter wereld worden nog niet moeilijk genoeg is, raakt Mater betrokken bij een internationaal spionagecomplot. Nu moet hij zijn tijd verdelen tussen een geheime spionage-missie en het assisteren van Lightning op het circuit.