Synopsis:

Flash McQueen est au sommet de sa gloire après avoir remporté toutes les Piston Cup ainsi que le World Grand Prix. Avec Bobby Swift et Cal Weathers, ils sont les rois des circuits de la Piston Cup. Lors d'une course et alors que le trio est en tête, le jeune et ambitieux Jackson Storm, véhicule ultra-technologique, remonte le peloton, dépasse les trois favoris et s'impose largement. Peu à peu, les « vétérans » se voient dépassés par la nouvelle génération et Flash se trouve être l'un des derniers anciens à arpenter les circuits. Après avoir subi plusieurs défaites, McQueen, lors de la dernière course de la compétition, est tellement obnubilé par ce nouvel adversaire qu'il réalise un arrêt aux stands trop court. De retour sur la piste, il se fait dépasser par trois concurrents dont Storm. Pour les rattraper, Flash force tellement l'allure, qu'il perd le contrôle, se percute contre le muret, se fait éjecter et fait de nombreux tonneaux avant de s'immobiliser devant ses concurrents, ses fans et ses amis impuissants… Quatre mois après son terrible accident, il se retire donc à Radiator Springs, où il n'arbore plus sa couleur rouge ni le nom de son sponsor et passe son temps à se morfondre dans le garage de Doc Hudson, son mentor qui lui manque terriblement et repense sans cesse à l'accident qui a mis un terme à sa carrière. Notamment, lorsque Doc lui a expliqué (durant le premier film) qu'il avait arrêté la course à cause de son grave accident et que le temps de sa réparation tous ses fans ne s'intéressaient qu'aux nouvelles recrues. Finalement, Sally parvient à le convaincre de reprendre la course et celui-ci annonce à ses sponsors Dusty et Rusty qu'il est de retour dans la compétition. Il se rend ainsi au tout nouveau centre d'entraînement de l'écurie Rusteze, où ses propriétaires lui annoncent que pour financer cet équipement ultra-moderne, ils ont dû vendre leur marque à un jeune milliardaire, Sterling. Ce dernier veut remettre McQueen sur les circuits mais lui impose d'être entraîné par Cruz Ramirez. Entraîneuse réputée pour ses qualités de préparatrice sportive, elle le traite comme une personne âgée mais le n°95 veut retrouver la compétition au plus vite. Il s'engage de force sur le simulateur de course ultra-moderne mais se trouve incapable de maîtriser l'installation et l'endommage gravement. Flash a ensuite une altercation avec son nouveau patron. Ce dernier veut qu'il mette fin à sa carrière pour pouvoir vendre des produits dérivés à son effigie. Révolté, le coureur passe un accord avec Sterling : il s'entraîne à sa manière, loin du centre, mais prendra sa retraite s'il échoue lors de la première course de la saison, en Floride. Flash, accompagné malgré lui de Cruz, reprend alors l'entraînement en milieu extérieur, aidé par Luigi et Guido. Il se rend d'abord sur la plage de Fireball, où il apprend à Ramirez quelques bases de la conduite sportive puisque celle-ci ne parvient pas à le suivre pour mesurer sa vitesse. Au bout d'un jour, il choisit de changer de terrain et tous deux partent vers le circuit de Thunder Hollow, où une compétition d'amateurs va avoir lieu. Couvert de boue grâce à Luigi pour éviter d'être reconnu et inscrit sous le nom de « Chester Vilebrequin », Flash se rend compte trop tard qu'il est en réalité engagé dans un derby de démolition. C'est Cruz, embarquée contre son gré dans ce combat de voitures sous le pseudonyme de « Martine Laturbine », qui sort vainqueur après que Flash l'ait sauvée de Miss Fritter, un terrifiant bus scolaire. À la suite de cela, Flash est aspergé d'eau et son camouflage disparaît : il est alors photographié avec un panneau « Je me suis sali les pneus à Thunder Hollow », une image qui fait le tour des médias. Sur la route du retour, McQueen, fâché, couvre de reproches son entraîneuse, estimant qu'elle lui fait perdre son temps. Triste et blessée, elle lui révèle qu'elle n'a jamais rêvé d'être entraîneuse mais de devenir une voiture de course comme lui. Si elle n'a jamais pu réaliser son rêve, c'est qu'en participant au départ d'une course, elle a perdu toute confiance en elle juste avant le départ et a préféré déclarer forfait. Elle prend la décision de retourner au centre d'entraînement et part seule dans la direction opposée à celle de Mack, Flash, Luigi et Guido.