かつてルーキーだったライトニング・マックィーンも今やピストン・カップに4度輝き、天才レーサーとして世界的な名声を得ていた。シーズンオフを故郷でゆっくり過ごすためにラジエーター・スプリングスに戻ってきたマックィーンは親友のメーターと再会。ところが、この再会がきっかけで、彼は世界3カ国を巡るワールド・グランプリに出場することになる。そのスタート地点は日本。メーターと仲間たちをレースのピットクルーとして、ともに日本に向かったマックィーンだったが、メーターがアメリカのスパイと勘違いされたことから、国際的な陰謀に巻き込まれてしまう。
レースそっちのけで、スパイと勘違いされたメーターが主役となりストーリーが進む。そのためかマックィーンのライバルとなるフランチェスコとのレースが盛り上がらない。
海の上を走ったり車が空を飛んだりめちゃくちゃでスパイ活劇を車でやる必要がない。
