Lightning McQueen is een ambitieuze nieuweling in de racewereld die onderweg is naar de finale van de Pistons Cup in Californië. Wanneer hij onverwachts een omweg moet maken door het slaperige Route 66 stadje, Radiator Springs, ontdekt hij dat het leven niet om de finishlijn gaat maar om de reis. Onderweg leert hij ongewone karakters kennen; Sally Carerra, een chique Porsche 911 uit 2003, Doc Hudson (een Hudson Hornet uit 1951 met een mysterieus verleden) en Takel, een roestige maar betrouwbare sleepwagen, Luigi een klein Fiatje, dat samen met zijn beste vriend Guido een bandenwinkel heeft. Zij helpen Lighting McQueen te realiseren dat er belangrijkere dingen in het leven zijn dan prijzen, reputatie, roem en sponsors.