レーシング・スポーツの最高峰ピストン・カップに出場する若き天才レーサー、ライトニング・マックィーン（声／オーウェン・ウィルソン）。史上初の新人チャンピオンを狙う彼だが、自分勝手な性格のせいで仲間の信頼が得られず、ピット・クルーたちの指示も一切無視していた。そのせいで彼は優勝目前でタイヤがパンクするトラブルに遭い、キング（声／リチャード・ペティ）、チック・ヒックス（声／マイケル・キートン）と並んでゴール。一週間後にカリフォルニアで、三台による同点決勝レースが行われることになる。マックィーンはトレーラーでカリフォルニアへ出発。ところがマネージャーのマック（声／ジョン・ラッツェンバーガー）の居眠り運転が原因で、マックィーンはハイウェイに振り落とされてしまう。そして彼はルート66沿いの寂れた田舎町、ラジエーター・スプリングスに迷い込んでしまった。スピード違反により保安官のシェリフ（声／マイケル・ウォリス）に逮捕されたマックィーンは、町の道路を破壊したことで裁判にかけられる。判事の長老ドック・ハドソン（声／ポール・ニューマン）は町からの追放を求めるが、女性弁護士兼ホテル・オーナーのサリー（声／ボニー・ハント）がそれを止め、マックィーンに荒れ果てた町の道路補修をさせることにする。最初は早くレース場に戻ることばかり考えていたマックィーンだが、気のいい町の住民たちと一緒に過ごす内に、心が和らいでいくのに気づき始めた。特にレッカー車のメーター（声／ラリー・ザ・ケーブル・ガイ）には初めての友情を感じ、町に活気を取り戻そうとするサリーには恋心を抱く。さらにドックがピストン・カップで三回優勝している伝説のレーサーだと知って、マックィーンはこの町の仲間たちに強い絆を感じるようになった。そして決勝の日。彼は住民たちのサポートを得てレースに戻り、一週間前とはまるで違う余裕のある走りを見せ、見事優勝を果たすのだった。