Lightning McQueen, mobil balap rookie jagoan yang digerakkan untuk sukses, menemukan bahwa hidup adalah tentang perjalanan, bukan garis finish, ketika dia mendapati dirinya tiba-tiba berbelok di Radiator Springs, kota Route 66 yang mengantuk. Dalam perjalanan melintasi negara ke Kejuaraan Piala Piston besar di California untuk bersaing dengan dua pemain pro berpengalaman, McQueen mengenal karakter offbeat kota.

Alex si singa adalah raja hutan kota, atraksi utama di Kebun Binatang Central Park, New York. Ia dan sahabat-sahabatnya—Marty si zebra, Melman si jerapah, dan Gloria si kuda nil—telah menghabiskan seluruh hidup mereka dalam kurungan yang menyenangkan di hadapan publik yang mengagumi dan dengan makanan yang disediakan secara teratur bagi mereka. Tidak puas untuk membiarkannya begitu saja, Marty membiarkan rasa ingin tahunya menguasainya dan melarikan diri—dengan bantuan beberapa penguin yang luar biasa—untuk menjelajahi dunia.

Hewan-hewan pengerat jago nyanyi, Alvin dan para Tupai, bertemu penulis lagu yang kelak jadi manajer mereka, Dave Seville. Sejak itu, hidup mereka pun berubah.