Masih diisi oleh aktor dan aktris utamanya dalam pengisian suara seperti, Owen Wilson (Bastards), Larry the Cable Guy (Jingle All the Way), Bonnie Hunt (Zootopia), ditambah kembalinya para pengisi suara difilm pertama seperti, Richard Petty, Humpy Wheeler, Bob Costas (Cars) dan juga terdapat karakter-karakter baru yang hadir dalam film ini dengan pengisi suaranya, Cristela Alonzo (The Angry Birds Movie), Armie Hammer (Hotel Mumbai), Kerry Washington (Peoples).
Seiring musim Piston Cup berlangsung, Lightning McQueen yang akan hadir kembali untuk membuktikan kepada para generasii baru pembalap bahwa dirinya masih menjadi mobil balap terbaik sepanjang masa. Namun Mcqueen mendapatkan lawan yang tanggung, yaitu Jackson Storm, pembalap sombong yang merupakan bagian dari generasi baru yang menggunakan teknologi terbaru untuk meningkatkan kinerja mereka. Pembalap yang lebih tua berangsur-angsur pensiun atau dipecat oleh sponsor mereka. Selama balapan terakhir musim ini, Lightning mencoba menyalip Jackson, namun berputar keluar dan mengalami kecelakaan rollover yang mengerikan. Empat bulan kemudian, Lightning mulai pulih di Radiator Springs dan merenungkan kecelakaan yang mengakhiri karier mendiang mentornya, Doc Hudson. Dia mengatakan kepada pacarnya, Sally Carrera, bahwa dia tidak ingin dipaksa pensiun karena Doc dan memutuskan untuk memulai latihan lagi, mencari cara baru untuk
