La película inicia con una transmisión enviada por el agente Leland Turbo a su amigo, Finn McMissile, un espía británico de la MI6 sobre un proyecto malvado que descubrió y le pide una ayuda a su amigo para la extracción.

Aún sorprendido por la destrucción de su amigo, Finn es descubierto y se ve forzado a escapar.

Sin embargo, este posee modificaciones que le permiten nadar bajo el agua.

Una vez que pasa el peligro, Finn huye buceando del lugar.

McQueen, por consejo de Sally, decide llevar al campeonato a Mate, y junto con Luigi, Guido, Fillmore y el Sargento, parten hacia Tokio, Japón, para la primera carrera del Gran Prix Mundial.

Mientras tanto, Redline es capturado y asesinado por Zündapp, quien antes revela que el Allinol se quema cuando recibe un pulso PEM.

Después de viajar a París, Francia, para recopilar más información del antiguo amigo de Finn, Tomber, viajan a Porto Corsa, Italia, donde se celebra la próxima carrera.

Durante la carrera, Mate, disfrazado, se infiltra en la reunión de delincuentes y descubre que un cerebro criminal no identificado está haciendo daño a los autos.

Al mismo tiempo, la cámara se usa en algunos autos más, lo que provoca una acumulación de varios autos destruidos y el camino quedó bloqueado, mientras que McQueen termina en primer lugar y Bernoulli en el segundo lugar.

Ahí, las láminas se establecen para matar a McQueen con el rayo con la "cámara" Mate se entera de que la cámara, por alguna extraña razón, no funcionaba en McQueen, pero las "Láminas" le dicen que colocaron una bomba en sus pits como un plan de emergencia, lo que lo impulsa a liberarse y escapar.

Debido a que la bomba solo se desactiva por voz de cerebro criminal, Axlerod se ve obligado a desactivarla en el último segundo antes de que el temporizador llegue a cero, con la bomba desactivada, Axerlod fue confirmado la culpabilidad y tanto él como Zünddap y los autos "Láminas" son arrestados por las autoridades.

Los deportistas siguen apareciendo, con Lewis Hamilton convirtiéndose en el campeón de Fórmula 1 Emerson Fittipaldi, mientras que Brent Mustangburger y David Hobbscap fueron creados por locutores deportivos José Trajano y Luciano do Valle.

[10]​[11]​ Al revisar la película para The Wall Street Journal, el crítico Joe Morgenstern escribió: "Esta secuela frenética rara vez va más allá de la mediocridad".

[13]​ La película fue considerada por The New York Times como "la primera respuesta realmente no tan buena de Pixar".

Dirigida por Brian Fee, la película vuelve a centrarse en el Rayo McQueen y las carreras.