Câu chuyện của CARS 3 bắt nguồn từ vụ va chạm giữa Lightning McQueen cùng dòng xe đua thế hệ mới. Sau khi bị chấn thương, McQueen đột nhiên bị loại ra khỏi môn thể thao đua xe mà anh yêu thích. Để quay lại đường băng, anh cần sự trợ giúp từ một nữ kỹ thuật viên trẻ tuổi – Cruz Ramirez. Nhờ vào kế hoạch của Cruz, cùng với sự khơi nguồn cảm hứng từ Fabulous Hudson Hornet, Mc Queen sẽ chứng minh với mọi người rằng #95 chưa hết thời mà vẫn có thể giành chiến thắng trong cuộc đua Piston Cup.