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。