スタイリッシュでカッコいいレーシングカー「ライトニング」マックィーンは、レース大会で頭角を現すことを夢見てきた。軽装で出発し、カリフォルニアに到着して輝かしいトロフィーを勝ち取る準備を整えた。しかし、一路猛スピードで走っていたマックィーンは途中で道に迷い、廃墟となったルート66沿いの地味な見知らぬ町に迷い込んでしまう。横暴な走りで町の人々の財産をたくさん壊してしまった彼は、一刻も早く出発するためにボランティアを引き受け、町の人々と打ち解けなければならなくなった。そこで彼は、ルールに縛られない多くの新しい友達と出会う：率直で美しい、2002年製のスタイリッシュなポルシェのサリー、神秘的な歴史を持つ1951年製のハドソン・ホーネットのドク（ドク・ハドソン）、錆だらけだが信頼できるトレーラートラックのメーター（トウメーター）、そして町に住む様々な車たち。最初は何とも思っていなかったマックィーンだが、この町には実は隠れた才能を持つ者たちがいることに気づく。この幻想的な車の世界で、彼らは想像を超える不思議な旅を共に経験する。マックィーンは最終的に、人生で本当に貴重なのは旅そのものであり、ゴールラインを駆け抜ける瞬間ではないこと、勝利や栄誉、名声は決して人生の真髄ではないことを発見する……