Akcja filmu ukazuje świat antropomorficznych samochodów, który został osadzony w realiach dzisiejszych Stanów Zjednoczonych. Głównym bohaterem jest młoda, zarozumiała i samolubna wyścigówka, Zygzak McQueen. Osią fabuły są zawody o trofeum Złotego Tłoka; zwycięzca trofeum może liczyć na sponsoring koncernu Dinoco, którego obecną twarzą jest odchodzący na emeryturę Król. Głównymi rywalami Króla są Zygzak oraz Marek Marucha. Zygzak jedzie bardzo brawurowo, nie chcąc tracić czasu nie zmienia opon i choć wysuwa się na prowadzenie, tuż przed metą dwie jego opony pękają i linię mety przekraczają trzy samochody jednocześnie – McQueen, Król oraz Marucha. „Dogrywka”, w której te właśnie trzy auta mają wziąć udział, ma się odbyć tydzień później w dalekiej Kalifornii.

McQueen, chcąc być w Kalifornii najszybciej z całej trójki, aby móc jak najdłużej trenować na tamtejszym torze, każe swojej ciężarówce – Mańkowi – wyjechać w drogę jeszcze tego samego wieczoru i nigdzie się nie zatrzymywać. W nocy pojawia się gang Delinquent Road Hazards, który „pomaga” Mańkowi zasnąć i spycha go na pobocze. Mańkowi otwiera się tylna klapa i na autostradę wypada przerażony McQueen. Zdezorientowany zaczyna on gonić czerwoną ciężarówkę, którą mylnie bierze za Mańka i skręca za nią w boczną drogę. Kiedy ją dogania, okazuje się, że to nie Marian; McQueen zostaje sam na ciemnej pustyni. Na dodatek podczas pościgu za ciężarówką przekroczył dozwoloną prędkość, jako samochód wyścigowy nie posiada także świateł. Zauważa go szeryf pobliskiego miasteczka i zaczyna go gonić. McQueen ucieka – wskutek nieszczęśliwego splotu okoliczności niszczy spory kawałek asfaltu lokalnej drogi, po czym wpada w ręce szeryfa.

Nazajutrz McQueen dowiaduje się, że trafił do na wpół opuszczonego, odciętego od świata miasteczka, Chłodnicy Górskiej. Jego mieszkańcy postanawiają, że wypuszczą go, kiedy naprawi zniszczoną przez siebie drogę. Nie zważając na protesty i zapewnienia McQueena, że jest wyścigówką, zaprzęgają go do maszyny kładącej asfalt.

Naprawa drogi – słynnej Trasy 66 – udaje się Zygzakowi dopiero za drugim podejściem. W trakcie pobytu w Chłodnicy odkrywa, że jej wójt to legenda wyścigów, słynny Hudson „Huragan” Hornet, jedyny zdobywca trzech Złotych Tłoków z rzędu. Karierę Hudsona w latach 50. zakończył niefortunny wypadek. McQueen zaprzyjaźnia się z mieszkańcami miasta, zwłaszcza z piękną Sally Carrera, jednak jego obecność sprawia, że do Horneta wracają niechciane wspomnienia. Wójt zawiadamia prasę i organizatorów wyścigów o miejscu pobytu Zygzaka. Wkrótce w mieście zjawia się Maniek w asyście tłumów dziennikarzy. Zygzak jest rozdarty między pragnieniem zwycięstwa a rodzącym się uczuciem do Sally, w końcu jednak odjeżdża.

Wyścig w Kalifornii zaczyna się dla niego niefortunnie – McQueen nie może się skupić i ma problemy z dogonieniem rywali. Wciąż myśli o Sally. Nagle w słuchawkach słyszy głos Hudsona – okazuje się, że jego przyjaciele z Chłodnicy Górskiej przyjechali mu towarzyszyć, a sam Hudson przejmuje rolę szefa jego ekipy technicznej. Dzięki jego radom i zachętom Zygzak brawurowo nadrabia straty i wyprzedza rywali. O krok od zwycięstwa spostrzega, że Marucha nieczystym zagraniem spycha z toru Króla, który ulega wypadkowi. Przypominając sobie wypadek Hudsona, który zakończył karierę mistrza, Zygzak hamuje tuż przed linią mety, puszcza Maruchę przodem i wraca po poobijanego Króla. Popychając go przed sobą przetacza go przez linię mety ze słowami „Król musi ukończyć ostatni wyścig”. Marucha zostaje oficjalnym zwycięzcą, ale wszyscy kibice i komentatorzy są po stronie Zygzaka. Dinoco oferuje sponsoring McQueenowi, ten jednak uprzejmie odmawia, postanawiając pozostać lojalnym swojemu dotychczasowemu sponsorowi.

Po wyścigu McQueen wraca do Chłodnicy na stałe, zakłada tam swoją bazę treningow�