Flash McQueen, une jeune voiture de course aussi rapide qu’arrogante, rêve de gloire et de victoire dans la prestigieuse Piston Cup. Sur la route du championnat, il se perd accidentellement dans la petite ville oubliée de Radiator Springs, sur la mythique Route 66.
Au début impatient de repartir, Flash découvre peu à peu la chaleur et la simplicité des habitants : Sally, Doc Hudson, Mater et tous les autres. À leur contact, il apprend que la vie ne se résume pas à la vitesse et à la compétition, mais à l’amitié, la loyauté et le respect.
Quand vient enfin le moment de la grande course, Flash McQueen doit choisir entre sa quête de gloire et les valeurs qu’il a découvertes à Radiator Springs.