Flash McQueen (Owen Wilson / Guillaume Canet), la star des circuits automobiles, et son fidèle compagnon Martin la dépanneuse (Larry The Cable Guy / Gilles Lellouche) reprennent la route pour de nouvelles aventures.

Les voilà partis pour courir le tout premier Grand Prix Mondial, qui sacrera la voiture la plus rapide du monde ! Dans leur découverte d’autres pays, Flash et Martin sont accompagnés par leurs amis de Radiator Springs. Mais la route du championnat est semée d’embûches, de déviations et de surprises hilarantes, surtout lorsque Martin se retrouve entraîné dans une histoire comme il n’en arrive qu’à lui : une affaire d’espionnage international !

Le voilà écartelé entre son désir d’aider Flash McQueen dans cette compétition prestigieuse et l’envie de participer à une mission d’espionnage top secrète pilotée par le super espion britannique Finn McMissile (Michael Caine / Lambert Wilson), assisté de la superbe apprentie espionne Holley Shiftwell (Emily Mortimer / Mélanie Doutey)... Martin se lance dans un voyage bourré d’action et une course-poursuite explosive dans les rues du Japon, de l’Italie, de France et d’Angleterre, suivi par ses amis et regardé par le monde entier.

Au cours de cette aventure sur les chapeaux de roues, les deux amis feront la connaissance de nouveaux véhicules hauts en couleur - voitures, bateaux, trains et avions -, de redoutables méchants et de coureurs automobiles du monde entier bien décidés à s’imposer sur les circuits.