Lima tahun setelah berkompetisi di World Grand Prix, Lightning McQueen, yang kini telah menjadi juara Piston Cup tujuh kali, mendapati dirinya dibayangi oleh Jackson Storm, seorang pemula yang merupakan yang pertama dari generasi baru mobil balap yang disebut "next-gens" yang dilengkapi dengan teknologi canggih untuk meningkatkan kecepatan dan performanya. Saat Storm terus menang sepanjang musim, sebagian besar veteran pensiun atau diberhentikan oleh sponsor mereka demi pembalap generasi berikutnya yang lebih muda. Dalam balapan terakhir musim ini di Los Angeles, Lightning sempat meraih posisi pertama tetapi mulai tertinggal setelah disalip oleh Storm. Ia berusaha keras untuk mengimbangi, tetapi saat melakukannya ia kehilangan kendali dan mengalami kecelakaan terguling setelah menabrak dinding luar, membuatnya terluka parah dan tidak dapat balapan sementara Storm terus memenangkan Piston Cup.
Empat bulan kemudian, Lightning, yang telah pulih dari kecelakaannya, memutuskan untuk terus balapan dan menelepon sponsornya, Rusty dan Dusty, yang mengungkapkan bahwa mereka telah menjual Rust-eze kepada sebuah mobil bisnis kaya bernama Sterling. Sterling menugaskan Lightning untuk berlatih di Rust-eze Racing Center di bawah asuhan Cruz Ramirez, di mana ia berjuang untuk beradaptasi dengan metode pelatihan modern. Setelah Lightning secara tidak sengaja merusak simulator, Sterling mencoba memaksanya untuk pensiun. Bersikukuh bahwa ia masih bisa berlomba, Lightning malah menawarkan bahwa jika ia memenangkan Florida 500 mendatang, ia dapat memutuskan apakah ia ingin terus berlomba; jika tidak, ia akan segera pensiun. Sterling dengan enggan menerima tawaran itu dengan syarat Cruz harus ikut dengannya.
Metode pelatihan Cruz yang tidak konvensional dan kurangnya pengalaman balapan di dunia nyata membuat Lightning frustrasi saat mereka mencoba untuk mencatat kecepatan tertingginya di Fireball Beach. Ketika Lightning memutuskan untuk berlatih di Thunder Hollow Speedway, mereka menyadari bahwa tempat itu digunakan untuk ajang balap mobil bergaya figure-8 yang disebut "Crazy Eights" dan dipaksa untuk berpartisipasi, yang secara tidak sengaja dimenangkan Cruz. Lightning dengan marah meneriaki Cruz setelah ajang balap mobil tersebut dan secara tidak sengaja memecahkan trofinya. Cruz mengungkapkan bahwa ia selalu ingin menjadi pembalap tetapi tidak pernah cukup percaya diri untuk mengikuti perlombaan, jadi ia mengundurkan diri sebagai pelatih Lightning dan kembali ke pusat balap. Karena malu dan tidak punya pilihan lain, Lightning memanggil temannya Mater untuk meminta nasihat, yang menyarankan agar Lightning melacak mentor Doc Hudson dan kepala kru Smokey di kampung halamannya di Thomasville, Georgia, sehingga Lightning mengejar Cruz dan meyakinkannya untuk bergabung kembali dengannya. Di Thomasville, mereka bertemu dengan Smokey, yang mengungkapkan bahwa meskipun Doc tidak pernah balapan lagi, ia menemukan kebahagiaan baru dalam melatih Lightning[c]. Setelah Lightning menerima bahwa ia adalah mobil yang lebih tua dan tidak akan pernah secepat Storm, Smokey dan teman-teman lama Doc, Louise "Barnstormer" Nash, River Scott, dan Junior "Midnight" Moon, membantunya mempelajari trik-trik baru untuk mengatasi kekurangan kecepatannya, menggunakan Cruz sebagai rekan tandingnya. Setelah banyak upaya, Lightning akhirnya berhasil melewati Cruz selama latihan terakhir di Thomasville Speedway. Namun, Cruz tiba-tiba menyalip Lightning, yang membuatnya teringat saat disalip Storm sebelum kecelakaannya, mengguncang kepercayaan dirinya.
Di Florida 500, Lightning memulai dari belakang tetapi, dengan bantuan Smokey di pit, berhasil naik peringkat secara bertahap. Sterling, yang masih yakin bahwa Lightning tidak akan menang, memerintahkan Cruz kembali ke pusat pelatihan untuk mempersiapkan seorang pemula untuk balapan berikutnya meskipun dia ingin tetap tinggal. Mendengar percakapan itu di radionya dan mengingat impian Cruz untuk balapan, Lightning menghindari tabrakan beruntun yang melibatkan banyak mobil dan meminta krunya untuk melengkapi Cruz agar menggantikannya dalam balapan, memberinya kesempatan kedua untuk menjadi mobil balap. Meskipun awalnya goyah, Cruz perlahan mulai menyalip satu demi satu mobil, berkat Lightning yang melatihnya dari pit. Dia akhirnya berakhir tepat di belakang Storm. Merasa terancam, Storm mencoba mengintimidasi Cruz, dan bahkan menabrakkannya ke dinding di putaran terakhir. Menggunakan salah satu gerakan lama Doc Hudson, Cruz membalikkan Storm, menyalipnya, dan memenangkan balapan.
Saat Cruz merayakan kemenangannya, Sterling menawarinya peran di timnya, tetapi Cruz malah menerima tawaran balasan dari pemilik Dinoco, Tex Dinoco. Karena Lightning dan Cruz sama-sama mengenakan nomor #95, Lightning menjadi pemenang bersama dalam perlombaan tersebut dan secara efektif meloloskan kesepakatannya dengan Sterling. Kembali ke Radiator Springs, Lightning mengungkapkan bahwa Tex telah membeli Rust-eze dari Sterling. Sekarang mengenakan warna balap lama Doc, Lightning memutuskan untuk terus balapan tetapi melatih Cruz terlebih dahulu untuk sisa musim.
Cristela Alonzo sebagai Cruz Ramirez[1] Pelatih dan teknisi balap Lightning McQueen yang selalu mendambakan dirinya menjadi pembalap, tetapi kurang percaya diri. Dia kemudian menjadi pembalap untuk Dinoco; #51.
Bob Peterson sebagai Chick Hicks, Mantan pembalap Piston Cup dan mantan saingan Lightning McQueen, yang sekarang bekerja sebagai penyiar RSN dan menyelenggarakan acara TV sendiri, Chick's Picks. Dia sebelumnya disuarakan oleh Michael Keaton di film pertama.
Lea DeLaria sebagai Miss Friter, Sebuah pembongkaran yang mengintimidasi bus sekolah monster yang diinspirasikan derby di derby pembongkaran Thunder Hollow.
Nathan Fillion sebagai Sterling, Sebuah Mobil bisnis kaya yang menjalankan fasilitas pelatihan elit Rust-eze Racing Center.
Paul Newman sebagai Doc Hudson, Mentor McQueen. Ia muncul dalam film tersebut dengan rekaman arsip Newman yang tidak terpakai dari film pertama. Newman Meninggal pada 26 September 2008, karakter tersebut ditulis dalam kilas balik untuk film terakhirnya 11 tahun yang lalu.
Pada tanggal 17 Agustus 2013, Michael Wallis (suara Sheriff di film) mengatakan kepada pendengar radio bahwa Cars 3 akan kembali ke Route 66, dan juga termasuk Route 99. Pada pertemuan pemegang saham Disney pada tanggal 18 Maret 2014, CEO Disney Bob Iger mengumumkan bahwa Pixar telah memulai praproduksi di Cars 3. Pada bulan Oktober 2014, pimpinan kreatif Pixar John Lasseter mengungkapkan di Festival Film Internasional Tokyo bahwa film ini akan menampilkan penghormatan kepada film Hayao Miyazaki, The Castle of Cagliostro, dalam bentuk Citroën 2CV tua.
Pada tanggal 8 Oktober 2015, tanggal rilis film diumumkan pada tanggal 16 Juni 2017. Pada tanggal 10 Juni 2016, saat wawancara, John Lasseter, sutradara film Cars sebelumnya, menjanjikan sebuah cerita yang sangat emosional, serupa dengan nada pada film pertama. Co-writer Kiel Murray, yang juga turut menulis the original Cars, mengatakan tentang kembalinya ke inti seri, "Dengan waralaba ini Anda selalu ingin tahu tentang siapa sebenarnya. Film pertama adalah tentang McQueen, dan film kedua adalah semacam cerita tentang Matter Kami ingin kembali ke cerita McQueen . Ketika kita melihat apa yang akan berikutnya untuknya, kita bertanya-tanya apa yang akan menjadi seperti keduanya sebagai atlet, dan juga untuk apa yang dia hadapi dengan sepanjang sisa hidupnya.
Pada tanggal 5 Januari 2017, diumumkan bahwa Armie Hammer dan Cristela Alonzo akan menyuarakan Jackson Storm dan Cruz Ramirez.
