의인화된 자동차들이 살아가는 세상에서, 야망 넘치는 신인 레이싱 카 라이트닝 맥퀸은 피스톤 컵 챔피언십 결승전을 치르기 위해 캘리포니아로 향하던 중입니다. 여정 도중 일련의 사고로 인해 그는 66번 국도변에 위치한 잊힌 사막 마을 래디에이터 스프링스에 고립되고 맙니다. 그곳에서 그는 마을의 도로를 망가뜨린 대가로 사회봉사 명령을 받게 됩니다. 라이트닝은 도로를 다시 포장하는 일을 하며 무뚝뚝한 판사 닥 허드슨을 비롯한 마을의 독특한 주민들을 만나게 되고, 자기중심적이었던 자신의 우선순위를 재평가하며 우정의 가치를 배워가기 시작합니다.
