La estrella de los coches de carrera, Rayo McQueen, y la incomparable grúa Mate, llevan su amistad hacia emocionantes destinos cuando cruzan el océano para participar en el primer Grand Prix Mundial, en el que se determinará cuál es el automóvil más veloz del mundo. Pero el camino hacia el campeonato se llena de baches, desvíos y desopilantes sorpresas cuando Mate se ve atrapado en una misteriosa aventura de espionaje internacional.
Ante la disyuntiva de ayudar a Rayo McQueen en la carrera o actuar en la misión de espionaje ultrasecreta, el viaje de Mate, lleno de acción, lo conduce a una persecución explosiva a través de las calles de Japón y de otros países europeos, acompañado por sus amigos y visto por el mundo entero.