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의인화된 차량들이 살아가는 세상에서, 디노코 400 경주는 피스톤 컵 시즌의 절정을 장식하는 대회이다. 이번 행사에서는 스트립 웨더스, 칙 힉스, 그리고 라이트닝 맥퀸과 관련된 주요 장면들이 소개된다. 경주가 절정에 달했을 무렵, 맥퀸은 피트 스톱을 하지 않아 선두를 놓치고 결국 뒷타이어가 파손되는 상황에 처하게 된다. 경기는 무승부로 끝났고, 일주일 후 로스앤젤레스 국제 스피드웨이에서 결정적인 경기가 펼쳐질 예정이다.

경주가 끝난 후, 맥퀸은 자신의 대형 트럭인 맥에 올라타 로스앤젤레스에 제시간에 도착하기 위해 고속도로를 달린다. 요란한 소음을 내는 갱스터 차량 네 대가 맥을 괴롭히자 트레일러 문이 열리면서 맥퀸이 풀려난다. 맥이 어디로 갔는지 궁금해하며 맥퀸은 밤새도록 필사적으로 거리를 헤매지만, 닥 허드슨에게 발각되어 추격을 당한다. 추격전 도중, 맥퀸은 실수로 분수대에 있는 조각상을 넘어뜨렸고, 그 조각상이 맥퀸에게 달라붙어 맥퀸이 경찰을 따돌리려고 도망치는 동안 도로를 망가뜨린다. 맥퀸은 체포되기 전 전선에 얽혔다.

다음 날 아침, 맥퀸은 감옥에서 깨어나 자신이 쇠퇴해가는 사막 마을인 래디에이터 스프링스에 있다는 것을 알게 된다. 법정에 있는 동안, 판사는 맥퀸에게 즉시 마을을 떠나라고 명령하지만, 마을 사람들은 맥퀸에게 지역 사회 봉사의 일환으로 파손된 도로를 재포장하라고 제안하고, 판사는 이에 동의한다. 맥퀸은 최대한 빨리 도로를 다시 포장하려고 하지만, 결과는 형편없다. 닥은 맥퀸에게 비포장 도로 경주를 제안하며, 맥퀸이 이기면 마을을 떠날 수 있지만, 만약 진다면 손상된 도로를 다시 포장해야 한다고 말한다. 흙길 경주 경험이 없는 맥퀸은 선인장에 부딪혀 사고를 당하고, 결국 경주에서 자동적으로 패배하게 되자 닥이 자신을 함정에 빠뜨렸다고 비난한다.

맥퀸은 길을 완전히 새로 포장했고, 이번에는 결과가 만족스럽다. 그는 그 마을이 과거에는 번성했던 관광 명소였지만, 고속도로가 건설되면서 마을에 대한 관심이 크게 줄어들었다는 사실을 알게 된다. 맥퀸은 도로를 재포장하면서 마을 사람들의 존경을 얻게 되는데, 특히 녹슨 견인차인 메이터와 마을 변호사인 샐리로부터 큰 호감을 얻게 되고, 맥퀸은 샐리에게 로맨틱한 감정을 느끼게 된다. 맥퀸은 닥이 과거에 자신도 레이서였지만, 한 경주에서 입은 심각한 부상 때문에 선수 생활이 끝났다는 사실을 알게 된다.

도로 재포장 작업이 완료되자 맥과 언론 관계자들이 현장에 도착했고, 맥퀸이 살아있고 건강하다는 사실을 알게 된다. 맥퀸은 맥 트럭에 올라타 로스앤젤레스로 향했고, 그들은 경주장에 제시간에 도착했다. 경주 도중 맥퀸은 고전하지만, 닥과 라디에이터 스프링스 마을 주민들이 맥퀸의 피트 크루를 맡으면서 맥퀸은 놀라운 역전극을 펼치게 된다. 마지막 바퀴에서 맥퀸이 1위로 올라서고, 힉스는 웨더스에게 불법적인 후방 공격을 가해 파란색 차가 충돌하여 경기를 더 이상 이어갈 수 없게 된다. 맥퀸은 결승선 바로 몇 인치 앞에서 갑자기 멈춰서 힉스가 경주에서 우승하게 해준다. 맥퀸은 쓰러진 웨더스를 트랙을 가로질러 결승선까지 밀어냈고, 관중들은 그 모습에 크게 놀랐다.

힉스는 피스톤 컵에서 우승했지만, 관중과 언론은 웨더스를 공격한 그의 행동을 비난했고, 최근 스포츠맨십과 영웅적인 모습을 보여준 맥퀸에게는 감탄했다. 라디에이터 스프링스가 활기를 되찾고 다시 인기를 얻게 되자, 맥퀸은 그곳에 자신만의 훈련 센터를 설립하기로 결정하고, 다른 자동차들은 자유롭게 세상을 누비게 된다.