Молния МакКуин, уже завоевавший славу в мире автоспорта и ставший четырехкратным чемпионом Кубка поршня, возвращается домой в Радиатор-Спрингс для отдыха и времени с друзьями. Однако спокойствие нарушается, когда появляется возможность принять участие в новом грандиозном соревновании — Мировом Гран-При, организованном эксцентричным миллиардером и нефтяным магнатом Майлзом Карданвалом. Эта серия гонок должна продемонстрировать экологичное топливо "Аллинол", которое работает гораздо лучше традиционного бензина. Состязания обещают стать ярчайшим событием, проходящим в самых живописных местах мира, и Молния с радостью берётся за вызов, даже несмотря на дерзкие провокации от своего нового соперника, наглого итальянского гонщика Франческо Бернулли.
Однако этот мультик — это не просто история о гонках. В центре внимания оказывается неожиданный герой — дружелюбный, но недотепистый эвакуатор Мэтр, лучший друг МакКуина. Он случайно и совершенно неожиданно для себя вовлекается в таинственный мир международного шпионажа. Всё начинается, когда во время подготовки к соревнованию в Токио Мэтра принимают за профессионального секретного агента. Его вовлекают в опасную миссию по разгадыванию заговора, связанного с саботажем гонщиков и странными происшествиями, происходящими на этапе Мирового Гран-При.
Настоящими шпионами оказываются Финн МакМисл, обворожительный секретный агент британского происхождения, полнометражный аналог классических "шпионов" в духе Джеймса Бонда, и его напарница Холи Делюкс — молодая и талантливая специалистка по шпионским гаджетам. Вместе они пытаются определить, кто стоит за серией атак на участников состязания, использующих "Аллинол". Подозрение падает на загадочную группу злодеев — лидеров автомобильной "мафии", которые владеют старомодными машинами и управляют нефтяным бизнесом. Их цель — дискредитировать экологичное топливо и вернуться к господству на рынке нефти.
