Mientras viaja a California para competir con The King y Chick Hicks (Michael Keaton) en el Campeonato de la Copa Pistón, Rayo McQueen (Owen Wilson) se cae de su caravana y acaba en un pueblo degradado llamado Radiator Springs. Poco a poco se va haciendo amigo de los extraños habitantes del pueblo, como Sally (Bonnie Hunt), Doc Hudson (Paul Newman) y Mater. Cuando llega el momento de marcharse, el campeonato deja de ser su principal prioridad.