Mata-mata Inggris
Finn McMissile menyelidiki cadangan minyak bumi terbesar di dunia, yang
dimiliki oleh sekelompok mobil lemon (mobil yang sudah tidak bekerja
dengan baik). Setelah ketahuan, Finn meloloskan diri dan merekayasa
kematiannya.
Juara Piston Cup 4 kali Lightning McQueen kembali ke Radiator Springs
dan bereuni dengan sahabatnya Tow Mater dan kekasihnya Sally Carrera.
Mantan juragan minyak Sir Miles Axlerod, yang sekarang penganjur tenaga
hijau mengumumkan sebuah pertandingan balap yang dinamakan "World Grand
Prix" untuk mempromosikan Allinol, bahan bakar bio miliknya. Setelah
mobil formula Italia Francesco Bernoulli menantang McQueen, dia dan Mater bersama Luigi, Guido, Fillmore, dan Sarge terbang ke Tokyo, Jepang untuk balapan pertama di World Grand Prix.
Sementara itu, Lemon, yang dipimpin oleh Professor Zündapp dan dalang
yang tidak diketahui, secara rahasia merencanakan sesuatu untuk menjaga
keuntungan minyak mereka dengan menggunakan kamera televisi untuk
meledak-kan bahan bakar Allinol. McMissile dan Partnernya Holley
Shiftwell hadir di Event Promosi World Grand Prix di Tokyo untuk bertemu
mata-mata Amerika Serikat
Rod "Torque" Redline untuk mendapatkan informasi tentang dalang yang
tidak diketahui. Namun, Rod "Torque" Redline diserang oleh anak buah
Professor Zündapp dan memberi data tentang dalang yang tidak diketahui
kepada Mater secara diam-diam sebelum dia ditangkap. Finn dan Holley
menganggap mata-mata Amerika itu adalah Mater. Professor Zündapp
menyiksa Torque dan memberitahu bahwa Allinol dapat meledak jika
dipaparkan oleh gelombang elektromagnetik tinggi. Professor Zündapp
mempraktikkannya kepada Torque, dan membunuhnya setelah dia menyadari
tentang Mater yang mendapatkan informasinya dari Torque.
Saat balapan pertama, Finn dan Holley membantu Mater untuk
menghindari anak buah Professor Zündapp dan tanpa sengaja Mater memberi
McQueen pengarahan balap yang buruk yang menyebabkan McQueen kalah oleh
Bernoulli. Sementara itu, Professor Zündapp menggunakan senjatanya
terhadap mobil balap lainnya. Setelah Mater dan McQueen bertengkar, Finn
- yang masih mempercayai Mater sebagai mata-mata Amerika Serikat-
membawa Mater untuk menghancurkan rencana jahat Zündapp dan menaiki
Siddeley, pesawat jet Finn. Finn dan Holley melepaskan alat pelacak yang
ada di bagian belakang Mater yang sebelumnya diberikan oleh Torque dan
melihat gambar mesin misterius Inggris, yang Mater jelaskan mesin dan bagian langkanya.
Finn, Holley dan Mater terbang ke Paris, Perancis,
dimana mereka pergi ke pasar gelap dan menemui teman lama Finn, yaitu
Tomber. Finn menunjukan gambar mesin itu kepada Tomber dan itu adalah
salah satu pembeli terbaik Tomber. Tomber sering melihat mesin itu, tapi
tidak pernah bertemu empat mata. Lalu Tomber memberitahu bahwa rapat
rahasia kelompok mobil lemon ada di Porto Corsa, Italia yang bertepatan dengan balapan kedua dari World Grand Prix.
Di Italia,
Mater menyamar dan mengikuti rapat rahasia tersebut dan menemukan
rencana Zündapp. Sementara itu, anak buah Zündapp meledakan sejumlah
mobil balap saat balapan berlangsung dan menyebabkan sebuah tabrakan
besar di belokan Big Casino. Setelah balapan berakhir, Sir Miles Axlerod
mengakui bahwa bahan bakar miliknya berbahaya dan tidak mewajibkan
pembalap menggunakan Allinol di balapan selanjutnya. Tetapi McQueen
masih percaya kepada Allinol, dan akan menggunakannya di balapan
selanjutnya. Zündapp marah, dan akan membunuh McQueen di balapan
selanjutnya. Saat itu Mater kaget sehingga kedok penyamarannya terkuak
dan setelah itu Mater, Finn, dan Holley ditangkap dan diikat di dalam Big Bentley, London, Inggris.
Mater menyadari kebodohan yang sudah dilakukannya. Anak buah Zündapp
berusaha untuk meledakkan McQueen tapi tidak terjadi apa-apa. Mater
berhasil kabur dan berusaha memberitahu McQueen bahwa bom telah
terpasang di Pit Stopnya, namun Finn dan Holley yang berhasil kabur
menyadari bahwa bom bukan terpasang di Pit Stop milik McQueen tetapi ada
di bagian depan Mater. McQueen menyadari adanya Mater dan berusaha
mengejar Mater untuk meminta maaf, tapi Mater semakin menjauh karena
jika berdekatan Zündapp akan meledakkan bomnya. Mater semakin jauh
dengan Zündapp dan detonatornya tidak berfungsi karena terlalu jauh.
Zündapp mengirim anak buahnya untuk membunuh McQueen dan Mater, tapi
mereka digagalkan oleh Finn, Holley, dan teman-teman dari Radiator
Springs. Pada saat Zündapp tertangkap, dia memberitahu bahwa hanya sang
dalanglah yang hanya bisa mematikan bomnya, Mater menyadari bahwa Sir
Miles Axlerod lah dalang dari semua ini. Mater mengejar Sir Miles
Axlerod dan menekannya dengan mendekatkan bom kepadanya. Merasa
ketakutan, Sir Miles Axlerod mematikan bomnya dan terkuaklah dalang dari
semua peristiwa ini.
Karena kepahlawanannya, Mater mendapatkan penghargaan dari Ratu Inggris.
Setelah pulang ke Radiator Springs, Fillmore memberitahukan bahwa
sebenarnya sebelum balapan, Sarge mengganti Allinol dengan bahan bakar
organik Fillmore yang menyelamatkannya dari pembunuhan. Lalu setelah itu
para pembalap dari World Grand Prix berkumpul di Radiator Springs untuk
mengadakan balapan tidak resmi. Finn dan Holley mengajak Mater untuk
menjalani misi mata-mata selanjutnya, tapi Mater menolaknya dan Holley
mengajak Mater untuk berkencan. Finn memberikan roket kepada Mater yang
ia gunakan untuk mengikuti balapan Radiator Springs tersebut.