Il film si apre in un'autodromo dove appare Saetta McQueen, una giovane e ambiziosa auto da corsa,

impegnata a correre nella "Piston Cup", il più prestigioso campionato automobilistico degli Stati Uniti,

dove il vincitore si aggiudicherà alla sponsorizzazione "Dinoco".

I suoi rivali sono "The King", pluricampione dalla grande esperienza e attuale 'volto' della Dinoco,

e Chick Hicks, eterno secondo incline a scorrettezze pur di vincere.

Dopo un grave incidente causato da Chick a tutte le altre auto, i tre si battono negli ultimi giri;

Saetta vuole "fare tutto lui" e decide di rientrare ai box solo per fare rifornimento e non per cambiare le gomme:

questo gli concede un giro di vantaggio, ma nell'ultimo giro gli scoppiano le gomme posteriori;

The King e Chick riescono a raggiungerlo ma tutti e tre passano il traguardo nello stesso momento.

La commissione decide di organizzare una gara di spareggio

che sarà prevista la settimana dopo a Los Angeles e i tre si preparano per partire.

Saetta sale sul rimorchio del furgone-trasportatore Mack.

Percorrendo l'autostrada passano le ore e si avvicina la notte:

Mack si sente stanco e vorrebbe riposarsi, ma Saetta lo implora a continuare il viaggio

perché vuole arrivare per primo a Los Angeles, ma entrambi si addormentano.

Mack assonnato, viene circondato da dei delinquenti-auto truccate e per aver percorso un tratto di strada dissestato,

Saetta viene sbalzato fuori dal suo rimorchio, nel tentativo di raggiungere l'autoarticolato,

sbaglia un'uscita e finisce sulla famosa Route 66, si perde e approda a Radiator Springs - contea di Carburator.

Credendosi sull'autostrada infrange i limiti di velocità e confondendo gli scoppi del motore dell'auto della polizia

che lo insegue con degli spari combina molti danni distruggendo anche l'asfalto della strada principale

finendo poi per essere arrestato.

Nel frattempo Mack è arrivato all'Autodromo Internazionale di Los Angeles dove sta per presentare Saetta ai giornalisti,

ma succede il finimondo quando scoprono che il rimorchio è vuoto.

Saetta si sveglia in un recinto e bloccato da una ganascia. Qui conosce Carl Attrezzi, soprannominato "Cricchetto",

un allegro carro attrezzi in cerca di amicizie.

Durante il processo nel tribunale conosce la Porsche Sally, l'avvocato della città, che convince il severo giudice Doc Hudson

a fargli riparare la strada, costringendolo così a fermarsi nella piccola cittadina per quasi una settimana.

Lo collegheranno ad un'asfaltatrice pesantissima di nome "Bessie",

che per degli errori finirà per imbrattare tutta la carrozzeria del povero Saetta.

Saetta conosce poi tutti i cittadini e grazie alla riuscita amicizia con Cricchetto,

riesce a passare bene le giornate e riesce poi a conquistare Sally.

Saetta scopre poi che Doc è in realtà l'auto da corsa Hudson Hornet che ha vinto tre Piston Cup in tre stagioni e,

che a causa di un grave incidente subito decenni prima, ha deciso di non tornare mai più alle corse

per essere stato rifiutato dai membri della commissione.

Doc dice poi a Saetta che le tre Piston Cup che ha vinto sono solo delle coppe vuote.

Saetta decide quindi di dirlo agli amici ma nessuno gli crede.

Una mattina tutti vedono la strada finalmente ultimata ma Saetta ancora non se ne era andato:

ha deciso di farsi verniciare, di cambiare le gomme e di far ristrutturare la cittadina aggiustando i neon notturni.

Improvvisamente arriva un'enorme folla di auto con dei giornalisti che ritrovano Saetta,

tra questi c'è anche Mack, che si carica Saetta e lo porta a Los Angeles.

Saetta si prepara con poco entusiasmo alla gara, quando sente le voci di tutti i suoi amici di Radiator Springs,

che hanno deciso di aiutarlo a vincere la gara.

All'ultimo giro il rivale Chick dà uno spintone a "The King" e gli fa subire un gravissimo incidente;

Saetta vede sui display l'auto sfasciata e ricordatosi dell'incidente di Hudson Hornet inchioda davanti al traguardo senza passarlo.

Chick vince la gara ed esulta dalla felicità e Saetta decide di rinunciare al secondo posto spingendo "The King" oltre il traguardo.

I membri della commissione della Dinoco offrono la possibilità a Saetta di diventarne il nuovo volto come segno di gratitudine

ma egli rinuncia, chiedendo soltanto di far fare all'amico Cricchetto un giro sui loro elicotteri.

Dopo ritorna a Radiator Springs per salutare di nuovo Sally e insieme vanno a fare un giretto per le montagne.