La suprématie de Lightning McQueen sur les circuits de courses automobiles est menacée par l'arrivée de bolides plus rapides et à la fine pointe de la technologie. Fragilisée par sa toute première défaite, la voiture arrogante perd pied quand son plus farouche adversaire, le rutilant et hypocrite Jackson Storm, l'encourage à prendre sa retraite. Pour faire mentir ce dernier et son nouveau commanditaire, l'ambitieux et opportuniste Sterling, McQueen se met au défi de remporter la prochaine course en Floride; en cas de défaite, il acceptera de se retirer. Sterling accepte, mais à une seule condition: Cruz Ramirez, bagnole spécialiste des nouvelles méthodes d'entraînement, sera à ses côtés pour le conseiller. Or, les premiers contacts entre l'ex-champion et la zélée Ramirez sont tendus. Au cours du voyage mouvementé en direction de la Floride, l'un et l'autre auront toutefois beaucoup à s'apprendre. (sortie en salle le 16 juin 2017)