ชายคนหนึ่ง ผู้ยินยอมพร้อมใจที่จะอาศัยอยู่ภายใต้กฎเกณฑ์ของสังคม แต่เมื่อเขาได้พบกับผู้หญิงคนหนึ่ง ซึ่งบังเอิญมีหน้าตาคล้ายกับคนที่อยู่ในฝันของเขา เขาจึงเริ่มออกตามหาเธอ แต่การตามหาผู้หญิงคนนี้ก็ทำให้เขาต้องไปพัวพันกับเรื่องวุ่นวายมากมาย ซึ่งเชื่อมโยงไปสู่กลุ่มต่อต้านรัฐบาลและเหตุการณ์ที่เขาไม่คาดคิด

แม็คควีน ไลท์เทนนิง (พากย์เสียงโดยโอเวน วิลสัน) รถแข่งใหม่ซิงร้อนฉ่าที่มีความสำเร็จเป็นแรงขับเคลื่อน แต่เขาก็ได้เรียนรู้ว่า ชีวิตเป็นเรื่องของการเดินทาง ไม่ใช่เส้นชัย เมื่อเขาพบว่าตัวเองต้องวิ่งทางอ้อมตามเส้นทางรู้ท 66 ที่นำไปสู่เรดิเอเตอร์ สปริงส์ ระหว่างการเดินทางข้ามประเทศไปเพื่อเข้าแข่งขันรายการพิสตัน คัพ แชมเปียนชิพในแคลิฟอร์เนียเพื่อประชันความเร็วกับรถแข่งเก๋าเกมสองัน แม็คควีนก็มีโอกาสได้รู้จักเหล่ารถน่ารัก น่าเอ็นดูของเมืองนี้ ซึ่งประกอบไปด้วย ด็อค ฮัดสัน (รถฮัดสัน ฮอร์เน็ตปี 1951 ที่มีอดีตลึกลับ พากย์เสียงโดยพอล นิวแมน นักแสดงในตำนาน), แซลลี คาร์เรรา (รถปอร์เชสุดเฉียบปี 2002 พากย์เสียงโดยบอนนี ฮันท์) และเมเตอร์ (รถลากเก่าสนิมเขรอะพากย์เสียงโดยแลร์รี เดอะ เคเบิล กาย) ที่ช่วยให้เขารู้ว่า ยังมีสิ่งอื่นที่สำคัญยิ่งไปกว่าถ้วยรางวัล ชื่อเสียง และการได้รับการสนับสนุน

เพื่อนซี้ขี้เมาทั้ง 2 ต้องเดินทางไปยังลาสเวกัสเพื่อไปทำข่าว เมื่อเดินทางไปถึงลาสเวกัสด้วยความที่เป็นนักดื่มด้วยกันทั้งคู่ และได้ไปอยู่เมืองแห่งแสงสีแบบนี้แล้ว จึงไม่มีอะไรมาหยุดพวกเขาได้ ไม่ว่าจะเป็นเครื่องดื่มแอลอฮอล์ ยาเสพติด หรือแม้แต่เรื่องการพนันและสาวๆ และอะไรอีกมากมายที่ไม่สามารถจินตนาการถึงได้

รถแข่งซูเปอร์สตาร์ ไลท์นิ่ง แม็คควีน และ เมเทอร์ รถลากสุดแนว คู่หูเพื่อนซี้ที่จะต้องพบกับการเดินทางที่น่าตื่นเต้นใน “คาร์ส 2 สายลับสี่ล้อ...ซิ่งสนั่นโลก” เมื่อพวกเขาจะต้องเดินทางข้ามน้ำข้ามทะเลเพื่อเข้าแข่งขันรายการ เวิล์ด กรังด์ปรีซ์ ที่จัดขึ้นเป็นครั้งแรกของโลก เพื่อที่จะหารถที่วิ่งเร็วที่สุดในโลก แต่เส้นทางสู่การเป็นแชมป์กลับเต็มไปหลุมบ่อ อุปสรรคขวากหนาม เส้นทางอันคดเคี้ยว และสิ่นที่น่าแปลกใจที่สุด เมื่อเมเทอร์ ต้องปฏิบัติสุดยอดภาระกิจของเขาในฐานะซูเปอร์สปายสายลับระดับโลก เมเทอร์ต้องแยกร่างระหว่างการช่วยเหลือ ไลท์นิ่ง แม็คควีน ในการแข่งขันระดับโลก และภารกิจลับสุดยอดที่มอบหมายโดย ซูเปอร์สปายสายลับขั้นเทพจากสหราชอาณาจักร ฟินน์ แมคมิซซายล์ และสายลับฝึกหัด ฮอลลีย์ ชิฟท์เวล การผจญภัยสุดระทึกของเมเทอร์ได้พาเขาไปสู่การขับรถไล่ล่าบนถนนในญี่ปุ่น และ ยุโรป ที่พ่วงท้ายมาด้วยเพื่อนๆของเขาและทั่วทั้งโลกที่เฝ้าจับตาดูอยู่ ความสนุกแบบไฮ-สปีดกับเหล่าตัวละครรถยนตร์แบบใหม่ๆมากมาย ที่จะต้องพิชิตทั้งเหล่าวายร้ายและคู่แข่งในการแข่งขันระดับโลก

ภายหลังแพ้ต่อเหล่านักแข่งขันไฟแรงแบบใหม่ ไลท์นิ่ง แมคควีนผู้เป็นตำนาน ได้หลุดออกมาจากแวดวงแข่งรถที่เขารัก การที่จะกลับเข้าไปสู่การแข่งขันชิงชัยได้อีกรอบ เขาอยากได้การช่วยเหลือจากช่างเทคนิคแบบใหม่อย่าง อาจารย์ซ ราไม่เรซ ด้วยแผนที่จะเอาชนะของเธอเอง บวกกับแรงบันดาลใจจาก ฮัดสัน ฮอร์เนท ยอดฝีมือผู้ล่วงลับ และเหตุการณ์ไม่คาดคิดอีกนิดหน่อย การพิสูจน์ว่าหมายเลข 95 ยังไม่จบง่ายๆ จะทดสอบหัวใจของแชมเปี้ยนในสนามแข่งที่ใหญ่ที่สุดของพิสตันคัพ