Rayo McQueen sigue siendo el mejor coche de carreras del mundo, pero ahora que es uno de los más veteranos del circuito, debe demostrar a todo el mundo que aún puede ganar una gran carrera y que no necesita jubilarse. En esta ocasión, el famoso bólido de carreras tendrá que enfrentarse a una nueva generación de corredores más jóvenes, potentes y veloces, que amenaza con cambiar el deporte de su vida. Entre ellos está el competitivo y revolucionario Jackson Storm, que no se lo pondrá nada fácil.

Para lograr su objetivo y alcanzar el podio, contará con una nueva entrenadora hispana, Cruz Ramírez, una joven y avispada coche de carreras de color amarillo que ayudará al protagonista en el duro mundo de la competición. Junto a McQueen también estarán sus amigos de siempre de Radiator Springs, como la grúa Mater, su novia Sally y el dueño del taller de coches Ramone. La carrera será más dura que nunca para Rayo, y se tratará de una nueva aventura que transcurrirá por históricos lugares de toda América.

Tercera entrega de la franquicia Cars, después de las películas Cars (2006) y Cars 2 (2011).