《赛车总动员2》开发出新能源的厄尔·迈尔斯举办了世界杯大奖赛。众将云集，唯独活塞杯霸主闪电麦昆（黄磊配音）不见了。原来，他刚刚回到温泉小镇，与好哥们班亚（范伟配音）和女友莎莉度过了一个愉快的假期。由于意大利方程式赛车FarasGao的挑衅，当然还有嫉妒，McQueen最终同意参加世界杯，与Mater等好友一起环游世界。在日本大奖赛的前一天，马特意外结识了正在寻找犯罪团伙新动向的英国特工迈克·米西尔和霍莉（姚晨配音）。玛特被霍莉误认为是来自美国的联合特工，从而卷入了麻烦。在第二天的比赛中，麦昆和法拉斯高展开了激烈的角逐。与此同时，一些玩家不小心发生了爆炸，麦特遇到了迈克和神秘组织打架的场景。因为这一系列的意外，麦昆和马特的友情一直举步维艰，而这一切的幕后黑手也渐渐露出了真面目……