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Saetta McQueen, ora un'auto da corsa veterana, è costretto a ritirarsi dopo un disastroso incidente. Saetta chiede alla giovane Cruz Ramirez, esperta di auto da corsa, e sua grande fan, di aiutarlo a tornare in pista per battere il suo avversario: Jackson Storm.

Un ricco magnate del petrolio decide di passare ai carburanti ecologici e per promuovere l'affidabilità della sua nuova miscela organizza un campionato di tre gare, ognuna in un paese diverso (Inghilterra, Giappone e Italia) a cui parteciperanno le automobili più veloci del mondo con lo scopo di determinare quale sia la più potente. Saetta McQueen ovviamente è in prima linea e dovrà vedersela con Francesco Bernoulli, auto da Formula 1 arrogante e spaccona. Le gare però sono funestate da incidenti sui quali vigilano Finn McMissile e Holly Shiftwell, agenti segreti dell'intelligence impegnati ad indagare su un intrigo internazionale che sventuratamente scambiano Carl Attrezzi per una spia sotto copertura, coinvolgendolo nella delicatissima operazione con i prevedibili esiti disastrosi.

L'astro nascente delle corse Saetta McQueen, un fiammante bolide con il successo come obiettivo, si trova costretto ad un'inaspettata deviazione nel corso del lungo viaggio per partecipare alla gara più importante della sua carriera. Bloccato nella sonnacchiosa cittadina di Radiator Springs, lungo il vecchio tracciato della Route 66, incontra Sally, Car Attrezzi, Dottor Hudson e tutta una serie di bizzarri personaggi che lo aiuteranno a capire che nella vita non contano solo i trofei e la fama.

Skeeter Bronson è il figlio del proprietario di un hotel che, tanti anni prima, venne costretto a vendere a Nottingham, un approfittatore delle disgrazie altrui. Ora Skeeter è ancora nell'albergo ma come riparatore degli impianti. Un giorno sua sorella Wendy, che non vede quasi mai, gli chiede di occuparsi dei suoi due figli perché costretta ad allontanarsi temporaneamente dalla città. Zio Skeeter deve improvvisarsi ogni sera babysitter e lo fa raccontando storie della buonanotte di cui finisce con l'essere il protagonista con le sue disavventure inizialmente destinate a una sconfitta certa che i bambini però non amano. Pian piano però le vicende cominciano ad avere legami più stretti con la realtà e, nel frattempo, Jill (l'amica di Wendy che si insegna nella scuola dei nipoti) comincia a conoscere pregi e difetti dell'originale zio.

In questo episodio, lo scassatissimo e spiritosissimo carro attrezzi Carl Attrezzi, detto "Cricchetto", compie diversi scherzi ai danni dei suoi concittadini veicoli di Radiator Springs. Costoro decidono di rendergli "pan per focaccia", e lo Sceriffo si inventa e racconta una storia terribile, secondo la quale, nelle notti d'estate, si aggira sulle strade della zona "il semaforo fantasma", un misterioso globo di luce blu che fa scomparire nel nulla qualsiasi veicolo che incontri sul suo percorso. Mentre Carl Attrezzi fa ritorno alla sua abitazione (o deposito, per meglio dire), Saetta e Guido appendono una lanterna blu al gancio di Carl Attrezzi. Egli, spaventatissimo, si mette a correre pazzamente per le strade, salvo poi accorgersi della burla. In seguito, gli abitanti di Radiator Springs ridono della dabbenaggine di Cricchetto, rassicurandolo e dicendogli che l' unica cosa a cui deve fare attenzione sono le sue paure e, ovviamente, "la strega urlante".

Il nuovo corto Pixar è ambientato durante il Founders Day, giorno in cui i nostri eroi rendono omaggio a Stanley, quando una squadra di corridori del Baja 1000 arrivano in città e sfidano Saetta McQueen a una gara.