Dans un monde peuplé de voitures animées d'une vie propre, le jeune bolide Lightning McQueen brûle d'envie de faire ses preuves sur une piste de course. Il prend donc la route de la Californie, où doit se tenir dans une semaine une importante compétition. Mais chemin faisant, Lightning s'égare sur la route 66 et aboutit dans la petite ville de Radiator Springs. Ses excès de vitesse ayant abîmé la chaussée, le bolide est contraint par le juge Doc Hudson de tout repaver. Au cours de son séjour forcé, Lightning fraternise avec divers véhicules tous plus colorés les uns que les autres.