Nachdem es beim letzten Rennen um den „Piston Cup“ ein dreifaches Unentschieden gab, muss „Lightning McQueen“, ein sprechendes NASCAR-Auto (ist laut Mister „John Gunnell“ ein Trans Am), zu einem Entscheidungsrennen nach Los Angeles. Auf dem Weg wird er aber nachts von seinem Transport-Truck getrennt. Er muss somit allein nach Kalifornien finden. Orientierungslos (wie alle aktuellen NASCAR-Autos hat er keine Scheinwerfer) 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. Sally war eine erfolgreiche Anwältin in L.A. Sie ist vor dem Großstadtleben geflüchtet und lebt hier wegen der beeindruckenden Landschaft. Es kommt auch zum Konflikt mit Doc Hudson, der früher selbst ein berühmter Rennwagen war. Nach einem schweren Unfall wurde er von seinem Rennstall nicht mehr akzeptiert, weshalb er Rennwagen wie Lightning zuerst mit Verachtung betrachtet. Als die Straße fertig ist, hat sich Lightning mit allen Bewohnern des Dorfes angefreundet und möchte eigentlich nicht mehr weg. Die Medien und sein Rennteam finden ihn aber wieder, da Doc Hudson ihnen einen Tipp gegeben hat, und holen ihn zu dem großen Rennen ab.
Während des Rennens ist Lightning zuerst unkonzentriert und liegt weit hinten, da er immer wieder an Radiator Springs zurück denkt. Plötzlich stellt er aber fest, dass seine Freunde mit an der Box stehen und ihm zur Seite stehen. Mit dieser Unterstützung geht er in Führung und ist nahe dran zu gewinnen, als sein Konkurrent „King“, für den dies das letzte Rennen vor dem Ruhestand ist, aus dem Rennen geworfen wird. Statt den schon sicheren 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 und verhindert, dass den King dasselbe Schicksal ereilt wie dereinst Doc.
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.
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