闪电麦坤（欧文·威尔逊配音）走到了赛车生涯的十字路口，他刚刚在与一位年轻选手黑风暴杰克逊（艾米·汉莫配音）的较量后失去了冠军头衔。 在被风暴打败后，麦坤打算在训练最后一个赛季后就退休。他的合作伙伴是顶尖训练基地的老板斯特林（内森·菲利安配音），和他的王牌教练科鲁兹拉米雷斯（克里丝特拉·阿隆佐配音）。最后麦坤意识到，斯特林之所以对他感兴趣，不是想让其复出，而是希望他退休，以便能在产品中获得授权使用闪电麦坤的形象。麦坤拒绝退出，跟斯特林定下协议，如果他能赢得本赛季的第一场比赛，他便可以等到自己想要时再退休，但如果他没有取胜，就必须立即退休，老实去当斯特林的品牌代言人 。
和上集一样，由欧文·威尔逊配音的主角“闪电麦昆”（Lightning McQueen）依然要参加各种赛车比赛，不过这次他将跨出美国国门、周游世界。拉塞特透露，麦昆和他的团队将辗转5个国家，参加F1赛车和拉力赛的重大赛事：第一站是日本东京，他们要从富士山出发，往市区开；第二站是德国，他们要穿过黑森林；第三站是意大利的“Porto Corsa”大赛，它类似于蒙特卡洛汽车大赛；第四站是巴黎的24小时拉力赛；最后一站是伦敦，这也是全片的高潮部分，终点是白金汉宫，有趣的是王宫守卫也是汽车（路虎）。 除了精彩的赛车部分，在《赛车总动员2》中还有另一条故事线，主要是围绕拖车板牙（Mater）展开的，这个角色由“有线电视的拉瑞”（Larry the Cable Guy，艺名）配音。拖车板牙在救了一个英国秘密特工“Finn McMissile”（车型为阿斯顿·马丁）后，被人错当成间谍，卷入了麻烦之中。
汽车世界中，一年一度的活塞杯再次拉开序幕。红色跑车“闪电”麦坤和“冠军”、“路霸”是冠军最有力的竞争者。作为新人，麦坤具有极高的天赋，同时也是一个目空一切的家伙。经过紧张激烈的对抗，这三辆车同时冲过终点线。由于无法判定最终优胜者，组委会决定一个月后在加州洛杉矶召开一次只有这三辆车参加的殊死战，只有最后的胜者才能捧得活塞杯。信心满满麦坤和搭档拖车麦大叔早早启程。但是长时间的疲劳驾驶，令麦大叔不慎将麦坤丢在半路。麦坤东闯西撞，无意间来到了被众车遗忘的油车水镇。因躲避警长的追捕，麦坤毁坏了小镇的马路。在法官哈迪逊韩大夫和律师保时捷莎莉的裁决下，他被迫留在这里修路。短短几天相处，麦坤和小镇的居民渐渐融洽起来，同时他也爱上了美丽的莎莉。只不过，路终有修完的时候，未完的比赛仍在等待着他……
宁静的夜晚，破旧顽皮的小卡车Mater（Larry The Cable Guy 音）到处游走，以吓唬其他汽车为乐，严肃的警长（Michael Wallis 音）向他讲述了一个闪着蓝光四处漂浮的鬼火的传说。起初不以为然的Mater听到最后吓得全身发抖。警长讲完故事，所有的车辆四散离开。沉浸在恐惧之中的Mater战战兢兢回到家里，却发现自己成为鬼火的跟踪对象，吓得他在深夜的公路上狂奔不止…《拖线与鬼火》讲述了拖线很爱搞恶作剧来吓人，然而有一天他听说了“鬼火”后就开始心惊胆战，但是这“鬼火”是大家虚构的，被吓着的拖线终于明白了一个道理。但是更可怕的东西还在等着他……
闪电麦昆一直打嗝，水箱温泉镇上人人都认为自己有对策。
皮克斯公司位于加拿大温哥华的工作室正在制作一部由《赛车总动员》衍生的短片"Air Mater"，由《飞屋环游记》故事构思罗伯·吉布斯执导。
巴哈赛车手来到镇上，向闪电麦坤发出挑战，要和他进行越野赛，原本悠闲的赛道变得险象环生
Lightning McQueen and his best friend Mater head east from Radiator Springs on a cross-country road trip to meet up with Mater’s sister.
