Hoewel zijn generatie steeds meer van het circuit wordt verdreven, is Bliksem nog niet bereid om te stoppen met racen. 

Wanneer hij onverwacht verslagen wordt door eerstejaars Jackson Storm, gaat hij op zoek naar een tweede kans. Daarvoor krijgt hij de hulp van Cruz Ramirez, een slanke gele raceauto. De jonge, vrouwelijke coureur laat Bliksem McQueen kennismaken met moderne technologie en leert hem nieuwe trucjes. 

Samen bereiden ze zich voor op de beslissende race in de Florida 500 (een wedstrijd die vergelijkbaar is met de Daytona 500).