Star racecar Lightning McQueen et l'incomparable dépanneuse Mater portent leur amitié vers des horizons passionnants lorsqu'ils partent à l'étranger pour concourir au premier World Grand Prix afin de déterminer la voiture la plus rapide du monde. Mais le chemin menant au championnat est semé d'ornières, de détours et de surprises hilarantes lorsque Mater se retrouve entraîné dans une aventure intrigante à lui, l'espionnage international.