かつてルーキーだったライトニング・マックィーン（声：オーウェン・ウィルソン）も今やピストン・カップに４度輝き、天才レーサーとして世界的な名声を得ていた。シーズンオフを故郷でゆっくり過ごすためにラジエーター・スプリングスに戻ってきたマックィーンは親友のメーター（声：ラリー・ザ・ケイブル・ガイ）と再会。ところが、この再会がきっかけで、彼は世界3カ国を巡るワールド・グランプリに出場することになる。そのスタート地点は日本。メーターと仲間たちをレースのピットクルーとして、ともに日本に向かったマックィーンだったが、メーターがアメリカのスパイと勘違いされたことから、国際的な陰謀に巻き込まれてしまう。そして事件の最中に2人が出会ったのは、万能機器を装備した英国スパイのフィン・マックミサイル（声：マイケル・ケイン）とその相棒ホリー・シフトウェル（声：エミリー・モーティマー）。やがて、レースの進行に合わせてトーキョーからパリ、イタリアの田舎町、そしてロンドンへと舞台は移り、世界を支配しようとする巨大な陰謀が動き出す。絶体絶命のピンチの中で、マックィーンとメーターは気づく。自分たちの最大の武器は、かけがえのない友情の絆なのだと。たとえ１人では敵わなくても、仲間がいれば強くなれる。そして、彼らの友情が世界を救う……！