レーシング・スポーツの最高峰ピストン・カップに出場する若き天才レーサー、ライトニング・マックィーン(声/オーウェン・ウィルソン)。史上初の新人チャンピオンを狙う彼だが、自分勝手な性格のせいで仲間の信頼が得られず、ピット・クルーたちの指示も一切無視していた。そのせいで彼は優勝目前でタイヤがパンクするトラブルに遭い、キング(声/リチャード・ペティ)、チック・ヒックス(声/マイケル・キートン)と並んでゴール。一週間後にカリフォルニアで、三台による同点決勝レースが行われることになる。マックィーンはトレーラーでカリフォルニアへ出発。ところがマネージャーのマック(声/ジョン・ラッツェンバーガー)の居眠り運転が原因で、マックィーンはハイウェイに振り落とされてしまう。