Flash McQueen (Guillaume Canet), la star des circuits automobiles, et son fidèle compagnon Martin la dépanneuse (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 ! 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 top secréte pilotée par le super espion britannique Finn McMissile (Lambert Wilson), assisté de la superbe apprentie espionne Holley Shiftwell (Mélanie Doutey)...C'est parti pour un voyage rempli d’action et une coursepoursuite explosive dans les rues du Japon, d’Italie, de France et d’Angleterre.