ピストン・カップの若き天才レーサー、ライトニング・マックィーン。新人ながら優勝決定戦に残る活躍を見せる彼の目標はただひとつ、「ピストン・カップで優勝すること」。しかし、自分勝手で他人を信用しない彼の元を去るスタッフは後を立たず、友達と呼べる人すら一人もいない。そして優勝決定戦の地カリフォルニアへと急いでいたマックィーンは、ひょんなことからルート６６号線沿いにある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う。そこで待ち受けていたのはオンボロ・レッカー車のメーターをはじめ、のんびりとした生活をおくる不思議な車たち。寡黙な判事ドック・ハドソンは町を荒らした彼を追い出そうとするが、美しい女性弁護車サリーの提案によりマックィーンは道路の補修工事を命じられてしまう。渋々引き受けるマックィーンだったが、次第にこの町の魅力に気づき始め…。