Câu chuyện bắt nguồn từ vụ va chạm giữa Lightning McQueen cùng dòng xe đua thế hệ mới. Sau khi bị chấn thương, McQueen đột nhiên bị loại ra khỏi môn thể thao đua xe mà anh yêu thích. Để quay lại đường băng, anh cần sự trợ giúp từ một nữ kỹ thuật viên trẻ tuổi - Cruz Ramirez. Nhờ vào kế hoạch của Cruz, cùng với sự khơi nguồn cảm hứng từ Fabulous Hudson Hornet, Mc Queen sẽ chứng minh với mọi người rằng #95 chưa hết thời mà vẫn có thể giành chiến thắng trong cuộc đua Piston Cup......

Câu chuyện bắt đầu khi Viện bảo tàng Lịch sử Tự nhiên được đóng cửa để trùng tu và nâng cấp, các hiện vật và mẫu tượng tại đây được chuyển đến kho dự trữ liên bang ở Viện Smithosnian nổi tiếng ở Washington. Larry Daley hiện là một nhà sáng chế, kinh doanh lương thiện và không còn làm việc gác bảo tàng ban đêm nữa, nhưng khi biết tin các bạn cũ của mình : tượng Cựu tổng thống Roosevelt và chàng cao bồi Jedediah đang gặp nạn tại nơi ở mới, Daley không ngần ngại thâm nhập vào Smithsonian để giúp một tay. Và một lần nữa, Larry Daley lại trải qua một đêm kinh hoàng tại bảo tàng với sự nổi loạn của các hiện vật tại đây....

Anh chàng gác đêm Michael một lần nữa sẽ theo viện bảo tàng đến London để công tác. Không quên mang theo những người bạn tí hon của mình, và đặc biệt là tấm bài vị thần kì quý giả của vua Ai Cập. Cùng những nhân vật sống dậy từ bảo tàng, Micheal bắt đầu một chuyến phiêu lưu đầy hài hước....

Greg Focker, một chàng y tá đang yêu Pam Byrnes. Greg quyết định ra mắt bố mẹ Pam trong dịp cuối tuần, hy vọng nhận được sự đồng ý của họ trước khi cầu hôn. Tuy nhiên, mọi chuyện trở nên rắc rối khi Greg gặp gỡ Jack Byrnes, cựu nhân viên CIA khó tính....

Lightning McQueen và đồng đội của mình đang hướng tới giải đua xe vòng quanh thế giới "Race of Champions", đi qua 5 quốc gia: Nhật Bản, Đức, Italy, và cuộc đua 24 giờ tại Pháp và London. Tuy nhiên họ sẽ phải gặp những rắc rối trên cuộc hành trình của chính mình cũng như đúc kết những bài học kinh nghiệm từ cuộc sống....

McQueen Tia chớp khoác trên mình lớp sơn đỏ rực, rất sung sức, tự mãn và thường trực nụ cười mỉa mai. Lao vun vút trên đường 66 tới California để tranh cúp Piston, cậu đã đâm sầm vào thị trấn Radiator Springs buồn tẻ, phá nát đường đi và suýt bị ngồi tù. Chỉ vài ngày nữa, anh chàng phải tham gia cuộc đua, mong được đại gia Dinoco tài trợ để trở thành "sao". Nhờ sáng kiến của cô nàng luật sư Sally - một chiếc Porsche bóng bẩy đời 2002 - McQueen phải đem thân hình công tử ra kéo chiếc xe rải nhựa khổng lồ để làm lại đường. Cậu làm quen với bác sĩ Hudson, một chiếc Hudson Hornet đời 1951 từng là huyền thoại của đường đua Piston. Ngoài ra còn có Mater chiếc xe tải cũ mèm, gỉ sét và vui tính. Từ thị trấn nhỏ bé này, McQueen đã nhận ra nhiều điều ý nghĩa trong cuộc sống....