Герой картины — гоночный автомобиль NASCAR по имени Молния Маккуин, привыкший жить только на гоночной трассе. На Кубке Большого Поршня он из-за лопнувших задних покрышек приходит на финиш одновременно с другими участниками — чемпионом Кингом и грубияном Чико Хиксом, вследствие чего организаторы гонок решают провести решающую гонку в Калифорнии. По пути туда, из-за команды уличных гонщиков Маккуин во сне вываливается из везущего его трейлера, Мака, в надежде нагнать его, в темноте сбивается с пути, нарушает все мыслимые и немыслимые правила и оказывается в захолустном городишке Радиатор-Спрингс на Шоссе 66. Там Молнию Маккуина арестовывают за то, что он испортил дорогу. Пока Молния находится под арестом и чинит дорогу, он ближе знакомится с обитателями городка:
тягачом Мэтром — «лучшим в мире ездоком задком»;
судьёй Доком, который на самом деле оказывается отшельником (в прошлом знаменитым гонщиком — Великим Хадсоном Хорнетом (Hudson Hornet), получившим три Кубка Поршня, но очень скоро ушедшим из спорта после аварии);
звездой города — красоткой Салли (Porsche 911); - впоследствии возлюбленная Маккуина.
полицейским Шерифом (Mercury Eight 1949 Police Cruiser);
итальянским автомобилем-коммивояжёром Луиджи (Fiat 500) — продавцом шин и его помощником Гвидо;
хозяйкой местной заправочной Фло (шоу-кар GM Motorama);
тату-мастером Рамоном (Chevrolet Impala 1959) и другими машинами.
Все они впоследствии становятся друзьями Молнии и помогают ему увидеть смысл жизни не только в вечной погоне за славой и успехом, но и в простых автомобильных радостях. Сам же Маккуин помогает друзьям возродить к новой жизни город, который процветал в давние времена, но с тех пор, как в обход него было проложено новое скоростное шоссе, пришёл в упадок (его даже не отмечали на картах автодорог).
После того, как Молния Маккуин покинул Радиатор-Спрингс, он прибыл на гонку в Калифорнию, где обошёл других участников, пользуясь приёмами, которым его научили Док Хадсон и Мэтр. Герой был уже близок к победе и вполне мог бы финишировать первым, но незадолго до финиша Кинг потерпел серьёзную аварию из-за происков вероломного Чико Хикса. Видя это, Молния остановился, чтобы помочь Кингу добраться до финиша. Формально Чико Хикс стал чемпионом и получил Кубок Поршня, но, к его удивлению, никто не воздал ему должных почестей — напротив, его освистали и забросали шинами. Зато Молнию Маккуина чествовали, как настоящего победителя, потому что он сделал доброе дело.