第一部

时髦拉风的赛车“闪电”麦坤（Lightning McQueen），一直梦想在赛车大赛中脱颖而出，成为车坛 新偶像，胜利、名声、奖品、地位，麦坤连做梦都想着在赛车狂飙。为了参加赛车界盛事——皮斯顿杯冠军赛，麦坤轻装上路，准备穿越美国到达加利福尼亚，赢得闪亮的奖牌。

一路飚车的麦坤却在途中意外迷路，闯入了已经被废弃的66号公路旁一个貌不惊人的陌生小镇，横冲直撞的他毁了镇民不少财产，为了尽快上路，麦坤不得不答应做义工，和小镇居民打成一片。于是他结识了很多不按规则办事的新朋友：直爽漂亮、2002年产的时髦保时捷莎莉（Sally），有着神秘历史的1951年产老爷车哈德森博士（蓝天博士/Dr.Hudson），满身铁锈但值得信任的拖车板牙（拖线/Mater）以及镇上形形色色的汽车们。最初不以为然的麦坤却发现小镇上实际卧虎藏龙，在这个奇幻的汽车世界里，他们共同经历了一段超乎想像的神奇旅程。麦坤最终发现生命真正可贵的是旅程，而不是冲过终点线的瞬间，胜利、荣誉和名声远远不是生活的真谛……

第二部

和上集一样，由欧文·威尔森配音的主角“闪电”麦昆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。 除了精彩的赛车部分，在《汽车总动员2》中还有另一条故事线，主要是围绕拖车板牙展开的，这个角色由“王牌接线员拉里”配音。拖车板牙在救了一个英国秘密特工＂Finn McMissile＂后，被人错当成间谍，卷入了麻烦之中。