Überrumpelt von einer neuen Generation blitzschneller Rennwagen, wird der legendäre Lightning McQueen aus seinem geliebten Sport verdrängt. Um wieder ganz vorne mitzumischen, braucht er die Hilfe von Cruz Ramirez – einer eifrigen jungen Renntrainerin, die einen eigenen Plan für den Sieg hat – die Inspiration des verstorbenen fabelhaften Hudson Hornet und ein paar unerwartete Wendungen. Um zu beweisen, dass Nummer 95 noch nicht am Ende ist, muss er auf der großen Bühne der Piston Cup Rennserie zeigen, dass er das Herz eines Champions hat.