El coche de carreras Rayo McQueen y su mejor amigo Tow Mater viajan al extranjero para participar en el primer Gran Premio Mundial de la historia. Sin embargo, el camino hacia el campeonato y el título indiscutible de "coche más rápido del mundo" no está exento de obstáculos para los dos amigos. Por el camino, Tow Mater se ve atrapado en los hilos secretos de una aventura de espionaje internacional; completa con motores que explotan y un misterioso Profesor Z, que está decidido a sabotear la victoria de Lightning en la carrera.