Nachdem es beim letzten Cars-Rennen um den „Piston Cup“ ein dreifaches Unentschieden gab, muss „Lightning McQueen“, ein sprechendes NASCAR-Auto, zu einem Entscheidungsrennen nach Los Angeles. Auf dem Weg wird er aber von seinem Transport-Truck getrennt. Er muss somit allein nach Kalifornien finden. Orientierungslos landet er auf der Route 66 in „Radiator Springs“, wo er versehentlich die einzige Dorfstraße zerstört. Er wird dazu verurteilt, sie wieder zu reparieren.

Während er damit beschäftigt ist, freundet er sich mit Hook (im Original: Mater), dem Abschleppwagen, an. Außerdem verliebt er sich in Sally, einen Porsche. Sie erklärt ihm, wie Radiator Springs früher lebendig war, durch eine neue Interstate aber alle Kundschaft verloren hat und von der Landkarte verschwunden ist. Es kommt aber auch zum Konflikt mit Doc Hudson, der früher selbst ein berühmter Rennwagen war. Nach einem großen Unfall wurde er vom Rennzirkus nicht mehr akzeptiert, weshalb er Rennwagen wie Lightning nur mit Verachtung betrachtet. Als die Straße fertig ist, hat sich Lightning mit allen Bewohnern des Dorfes angefreundet und möchte nicht mehr wirklich weg. Die Medien und sein Rennteam finden ihn aber plötzlich wieder, da Doc Hudson ihnen einen Tipp gegeben hat, und holen ihn ab zu dem großen Rennen.

Während des Rennens ist Lightning zuerst unkonzentriert und liegt zurück, da er immer wieder an Radiator Springs zurück denkt. Plötzlich stellt er aber fest, dass seine Freunde mit an der Box stehen und ihn anfeuern. Mit dieser Unterstützung geht er in Führung und ist dabei zu gewinnen, als sein Konkurrent „King“, für den dies das letzte Rennen vor dem Ruhestand ist, aus dem Rennen geworfen wird. Anstatt über die Ziellinie zu fahren und den Sieg für sich in Anspruch zu nehmen, hält Lightning an und schiebt den stark beschädigten King über die Ziellinie, damit er sein letztes Rennen beenden kann. So verliert er zwar den Piston Cup, gewinnt jedoch den Respekt aller anderen Autos.

Nachdem Lightning sein neues Rennhauptquartier in Radiator Springs eröffnet, wird auch der Ort wieder bekannt und beliebt. Zudem eröffnet er zusammen mit Sally das früher sehr beliebte Auto-Hotel Wheel Well wieder.