Lightning McQueen, une splendide voiture de course toute neuve promise au succès, découvre que dans la vie, ce n'est pas de franchir la ligne d'arrivée qui compte, mais le parcours que l'on a suivi. Parti pour participer à la prestigieuse Piston Cup, il atterrit suite à une déviation dans la petite ville tranquille de Radiator Springs, sur la Route 66.McQueen va apprendre à connaître Sally (une élégante Porsche 2002), Doc Hudson (une Hudson Hornet 1951 au passé mystérieux), et Mater...

Dans le futur, un nouveau traitement psychothérapeutique a été inventé. Grâce à une machine, le DC Mini, il est possible de rentrer dans les rêves des patients et de les enregistrer afin de sonder les tréfonds de la pensée et de l'inconscient. Alors que le processus est dans sa phase de test, l'un des prototypes du DC Mini est volé, créant un vent de panique chez les scientifiques. Dans de mauvaises mains, une telle invention pourrait avoir des résultats dévastateurs. Le Dr. Atsuko...