Un champion de course, Flash McQueen vit à cent à l'heure jusqu’à ce qu’un détour le mène à Radiator Springs, une petite ville oubliée sur la Route 66. Il y rencontre Sally, Martin, Doc Hudson et un tas de personnages amusants qui l’aident à découvrir que la vie vaut plus que les trophées et la célébrité.

Dépassé par une nouvelle génération de coureurs auto emmenés par l'arrogant Jackson Storm, le légendaire Flash McQueen est soudain mis sur le bas-côté. Pour revenir dans la course, il aura besoin de la jeune technicienne Cruz Ramirez, de l'inspiration du fabuleux Hudson Hornet et de quelques rebondissements inattendus et tours du destin.