Cars commence dans la dernière course de la saison de course 2006 de la Coupe Piston de stock car et championnat dans le Motor Speedway du Sud, où une voiture de course recrue qualifiée, mais arrogant, Lightning McQueen, a dépassé ses adversaires, passé un énorme épave, et a construit une énorme avance sur la coupe de la défense (mais bientôt prendre sa retraite) septuple champion, Strip « The King » Weathers et runner-up pérenne Chick Hicks. Toutefois, en raison de son refus de faire des escales régulières à fosse et obtenir de nouveaux pneus, ses pneus arrière usés irruption dans les flammes dans le dernier tour, lui causant de dérapage et, finalement, ramper à la ligne d’arrivée, la gestion de peine pour attacher le roi et Chick Hicks dans une photo d’arrivée. Les officiels de course annoncent que parce que les trois coureurs sont également liés aux points de la saison ensemble, ils se affronteront dans une dernière course de bris d’égalité qui se tiendra à Los Angeles International Speedway en une semaine pour déterminer le champion.
En voyageant l’Interstate 40 en Californie, McQueen se sépare de Mack, son camion de transport, et en essayant de se rattraper se perd sur la Route 66, attirant l’attention de la Radiator Springs shérif local dans le processus. Une poursuite se engage, au cours de laquelle McQueen se bloque et se emmêle dans les fils, endommageant une partie de la rue principale de la ville dans le processus.
McQueen est portée devant le tribunal de la circulation, où l’avocat de la ville, Sally Carrera, plaide contre McQueen. Il est condamné à repaver la route en utilisant « Bessie », une machine d’asphalte pose. Seulement intéressé à quitter et extrêmement furieux, il fait une tentative d’évasion avant d’être accroché, seulement pour comprendre son réservoir d’essence a été siphonné. McQueen se précipite à travers son premier jour de pavage et la nouvelle surface de la route est si chaotique, inutilisable, inégale, et les pauvres qu’il est dit qu’il doit gratter et recommencer à nouveau.
Lorsque Doc Hudson propose un accord McQueen – Doc battu dans une course autour de la Butte de Willy et il est libre d’aller – McQueen accepte avec empressement. Il laisse Doc dans la poussière à la ligne de départ, mais perd le contrôle sur la terre tour lâche et se écrase dans un patch de cactus. Alors que la remorque du camion de la ville, Mater, transporte McQueen sur le patch de cactus dans laquelle il a débarqué, Doc croisières sans effort à la ligne d’arrivée après en avoir informé McQueen qu’il courses comme il fixe routes. McQueen est obligé de gratter le trottoir bâclé et recommencer à nouveau.
Comme les jours suivants passent, McQueen est perturbé par des cauchemars de Chick Hicks gagnantes de la Coupe Piston et l’atterrissage Dinoco. Il commence à lier d’amitié avec les habitants de la ville et en apprendre davantage sur la ville dans le processus: comment Radiator Springs était une fois une ville prospère jusqu’à l’achèvement de l’autoroute à proximité contourné la petite ville, la privant de son trafic d’affaires et les visiteurs (et ironiquement, privant ceux les visiteurs de passage de la beauté naturelle qui se trouve dans le paysage le long de l’ancienne route); comment Sally a laissé sa vie riche, mais malheureuse comme avocat urbaine; ce « basculement du tracteur » (une parodie de la vache de basculement) est; et comment Doc Hudson était une fois une voiture de course célèbre lui-même (le « Hudson Hornet») – et trois fois champion de la Coupe Piston – jusqu’à ce qu’un terrible accident en 1954 a terminé sa carrière de course.
Doc refuse amèrement révéler beaucoup sur son passé (malgré McQueen témoin lui dérive experte par la saleté de la Butte de Willy où McQueen se est écrasé), qualifiant ses anciens trophées comme «un tas de tasses vides ».
Au moment où McQueen a terminé la réfection route principale de Radiator Springs, il a formé un lien avec la ville et ses habitants. Plutôt que de laisser immédiatement pour la Californie (comme il avait initialement été désireux de faire), il passe la journée à visiter les entreprises de la ville, la réception d’une nouvelle couche de peinture et de nouveaux pneus dans le processus, et participe à un parti de croisière qui nuit. Mais il est tout à coup trouvé, puis emmené dans son camion, Mack, sans même une chance de dire adieu à Radiator Springs. Les habitants de la ville sont tristes de le voir partir, et Sally est en colère d’apprendre que ce était Doc qui a finalement informé les médias de la localisation de McQueen.
La dernière course parmi McQueen, Le roi, et Chick se ouvre avec ce que les commentateurs de la course appellent la «plus grande course de l’histoire. » McQueen est distrait par ses souvenirs de Radiator Springs, de perdre du temps au roi et Chick Hicks, et commence à craindre qu’il sera tout simplement perdre. À sa grande surprise, Doc Hudson est arrivé à la course, avec Mater et quelques autres de Radiator Springs qui serviront de son équipe de ravitaillement; Doc, porter une fois de plus ses originaux « Hudson Hornet » bandes de course, prend le relais en tant que chef d’équipe de McQueen. Avec le coaching de Doc, un arrêt au stand enregistrement rapide des nouveaux pneus, et quelques astuces tirées des habitants de la petite ville, McQueen ne est pas seulement capable de dépasser ses adversaires, mais a construit une avance considérable par le dernier tour.
Comme McQueen se approche de la ligne d’arrivée, Chick sideswipes Le roi dans une tentative désespérée pour éviter de finir derrière lui encore une fois, en envoyant le roi dans un mauvais cas de capotage. McQueen, craignant que la carrière de course de Le Roi se terminera de la même manière comme le Hudson Hornet de, vient à un arrêt complet juste avant la ligne d’arrivée. Après Chick traverse allègrement la ligne d’arrivée, puis revient en arrière McQueen pour pousser le coureur vétéran de franchir la ligne d’arrivée devant lui, en disant que «Je pense que le roi devrait terminer sa dernière course ». Bien que Chick Hicks a officiellement remporté la Coupe Piston, il commence à apprendre que ce est une victoire creuse comme il est raillé et méprisé pour extraire le roi, tandis que McQueen est acclamé comme un héros pour son bon esprit sportif. Tex de Dinoco, la compagnie du Roi de sponsor, propose de soutenir McQueen que son nouveau sponsor; mais McQueen, ayant maintenant eu un changement de cœur, décline respectueusement, en disant que son sponsor actuel, Rust-eze lui donna sa «grande rupture», et il voulait continuer avec eux.
Deux jours après la course, McQueen revient à Radiator Springs, annonçant qu’il établira son quartier général de course il. Cela contribue à revitaliser la ville et reculer les visiteurs et les touristes, avec la fois des abandonné Route 66 étant reclassé comme «Historic Route 66. »
Une scène post-crédits montre Minny et Van perdu au milieu du désert, essayant toujours de trouver de l’autoroute; qui a finalement pousse Van fou.