Tudo começa com a final da Copa Pistão, a maior competição automobilistica do país. Onde três carros disputam o cobiçado troféu, Relâmpago McQueen(Marcelo Garcia), um corredor novato, O Rei (Márcio Simões), um respeitado veterano, e Chick Hicks(Samir Murad), um batoteiro, acabam empatando na liderança do campeonato. Um nova corrida para desempate é marcada para uma semana depois, naCalifórnia.
Depois da corrida, Relâmpago e seu caminhão de transporte, Mack (Renato Rosenberg), começam uma viagem por toda a noite até a Califórnia. Enquanto McQueen dorme no reboque, quatro carros customizados para corridas de arrancada pregam uma peça em Mack, cansando o sonolento caminhãoa cochilar e McQueen acaba caindo do reboque e ficando na pista da rodovia interestadual. Relâmpago tenta alcançar Mack, mas acaba se perdendo no meio da noite em uma área rural da Rota 66. Relâmpago tenta retornar para a interestadual mas tem dificuldades por não possuir faróis. Estando em alta velocidade e sem nenhuma luz traseira ou dianteira, ele acaba atraindo a atenção do Xerife(Jomery Pozzoly). Uma perseguição começa, o que resulta em Relâmpago destruir o asfalto da rua principal de uma pequenina cidade esquecida no deserto, chamada Radiator Springs. McQueen é pego, confiscado, levado à corte e sentenciado a reparar a rua que ele destruiu.
No início, McQueen continua com sua atitude arrogante e egocêntrica, obcecado em fazer nada mais do que sair de Radiator Springs e ir para a corrida na Califórnia. Depois de uma tentativa de fuga e de um serviço mal-feito nos reparos da rua, Doc Hudson (Daniel Filho), o idoso juiz local, desafia Relâmpago para uma corrida através do deserto. Se McQueen vencer a corrida, ele pode ir embora da cidade. Se Doc vencer, Relâmpago tem que terminar a sua sentença e fazer o serviço do jeito que Doc quer. McQueen ri deste desafio como sendo algo fácil, e começa a corrida com uma ampla vantagem na frente de Doc, que permanece na saída. Relâmpago tenta fazer uma curva fechada na estrada de terra e acaba derrapando para um declive, ficando preso em arbustos com cactosexatamente como Doc havia previsto. Assim, Doc vence a corrida.
Pelos dias seguintes, McQueen gradualmente aprende mais sobre a cidade e seus habitantes. Ele se torna amigo de um simplório mas muito leal caminhão-reboque chamado Mate, de uma linda Porsche 911 chamada Sally, da dona do posto de gasolina, Flô (Carla Pompílio), seu marido dono da loja de tintas, Ramon (Manolo Rey), o Volkswagen Kombi hippie Filmore (Cláudio Galvan), a viúva do fundador de Radiator Springs, Lizzie, o caminhão-bombeiro Ruivo, o militar Sargento, o italiano dono da Casa Della Pneus, Luigi e seu assistente Guido. Sally mostra para McQueen as razões de ela amar Radiator Springs. Ela também conta para McQueen a história de como Radiator Springs fora um dia uma próspera turística comunidade na Rota 66, que entrou em franca decadência após a construção da interestadual 40 naquela região.
Relâmpago começa a gostar de Radiator Springs mas ele permanece obcecado com o desejo de conseguir fazer aquela curva fechada no deserto. Doc oferece seus conselhos mas Relâmpago não quer considerar o que o idoso senhor tem a dizer. Após isto, Relâmpago descobre que Doc Hudson fora um dia um grande carro de corrida, um tricampeão da Copa Pistão durante os anos 50, até que um acidente grave acabou prematuramente com sua carreira. No que Relâmpago descobre este segredo de Doc, Doc dá a dica para a imprensa de que Relâmpago está na cidade, e ele acaba deixando a cidade para ir para a Califórnia no frenesi público que se segue a esta revelação.
Competindo pelo campeonato na Califórnia, Relâmpago não consegue se concentrar direito por acabar ficando divagando a seu amor referente a Sally e a respeito de Radiator Springs. Ele inicia a corrida com mau desempenho, mas se recupera bem depois que ele descobre que os seus amigos de Radiator Springs vieram para a corrida para o ajudar como a sua equipe de pit, com Doc Hudson (pintado com sua antiga pintura de #51 Fabuloso Hudson Hornet) como o seu chefe de equipe. Relâmpago faz uma corrida de recuperação e toma a liderança na volta final, após finalmente compreender os conselhos de Doc sobre como fazer a fechada curva no deserto. Com a conquista do campeonato bem a frente, Chick Hicks provoca uma manobra que faz com que O Rei acabe em um grave acidente. Relâmpago, se lembrando de como o acidente de Doc acabou com sua carreira, pisa nos freios pouco antes da linha de chegada e retorna rapidamente para ajudar O Rei. Chick Hicks conquista a Copa Pistão, mas Relâmpago McQueen conquista a admiração dos fãs.
Relâmpago decide se mudar para Radiator Springs, levando junto toda a infra-estrutura de suas operações de competição. Graças a este endosso por parte de Relâmpago, Radiator Springs ganha um enorme interesse em turismo, e a cidade acaba salva da decadência.
