오붓한 휴식을 취하려던 맥퀸의 소망과 달리, 단짝인 견인차 메이터의 오지랖으로 또다시 세계 그랑프리 대회에 참가하게 된다. 석유가 아닌 대체연료 알리놀을 사용해야 하는 이 대회에서 맥퀸이 강력한 경쟁 상대인 프란체스코와 대립의 각을 세우는 사이, 메이터는 뜻하지 않게 국제적인 첩보전에 휘말린다. 영국 최고의 스파이 핀 맥미사일과 아름다운 초보 스파이 홀리 쉬프트웰이 메이터를 미국 스파이로 오해하면서 사건은 걷잡을 수 없이 커지는데...