闪电麦昆(Lightning McQueen. )是一辆渴望赢得“活塞杯汽车大赛”（Piston Cup Championship）的赛车。骄傲和自负的麦昆，相信自己在赛车场上的表现是“个人秀”，总是忽略维修团队提供的建议。在“迪诺可400”（Dinoco 400）大赛的季决赛，麦昆在最后一圈取得压倒性的领先，并且即将成为史上第一个夺得车王的新人，此时麦昆的轮胎却爆胎了（他没有让维修团队进行更换）。麦昆勉强跑完比赛，并且和路霸（Chick Hicks）与前任“车王”斯特里普（"The King", Strip Weathers）打成平手，将要在七天后在加州再次举行附加赛以分出胜负。
在比赛结束后，麦昆和他的运输卡车伙伴马克从北卡罗莱纳州启程，横跨整个国家，前往位在加州洛杉矶的“洛杉矶国际赛车场”。麦昆想要抢先抵达赛车场，因此拒绝让马克停靠在卡车休息站中过夜。在40号州际公路上，马克越开越累，甚至在路上不断打盹。四辆飙车族－布斯特（Boost）、温格（Wengo）、DJ、斯诺特（Snot Rod）开始捉弄打盹的马克，而在路上的颠簸让拖车里的玩具掉落，压到控制车门的开关。拖车的后门被打开，闪电麦昆在睡梦中滑到车流量密集的州际公路上。在经过几次惊险的闪躲后，麦昆试着要寻找马克，但却追错了一辆外型类似的拖车，麦昆还发现自己在66号公路上迷了路。麦昆因为超速被路边埋伏的水箱温泉镇（Radiator Springs）警长追捕，而麦昆却将警长的排气管爆音误认成是枪声，因此在黑暗中四处窜逃，沿路破坏了水箱温泉镇上的主要街道，直到他被几条电线缠住后才停下来。
隔天早上，麦昆醒来发现自己被上了轮胎锁。在和拖吊车“板牙”（Mater）交谈后，他被带到法庭。镇上的法官兼医师“哈德逊医生”（Doc Hudson）命令麦昆这辆赛车立即离开本镇（麦昆也欣然接受，因为他很想赶快到加州），但镇上的保时捷911律师—莎莉（Sally Carrera）来到法庭，并说服博士让麦昆留在镇上把马路修好。于是博士带着麦昆来到“贝西”（Bessie）旁边——一台巨大、肮脏的铺路机，并告诉他可能需要花上五天的时间才能将路面修好。
哈德逊博士lzh-cn:哈德逊医生（左）和闪电麦昆（右）在他们的“比赛”前
闪电麦昆一心只想离开镇上前往参加他的比赛，在板牙解开他的轮胎锁准备让他开始进行社区服务时，麦昆立刻加速逃离，随后却发现他的汽油不足，只好跟早已在路边等他的警长和莎莉回到镇上。麦昆想要迅速铺好路面，却把路面弄的更糟，镇上的居民无法接受，并要求麦昆铲除掉刚铺上的路面从新来过。哈德逊医生对麦昆的种种抱怨感到厌倦，因此提议和麦昆在威利山丘（Willy's Butte）进行一场比赛：若是麦昆赢了，他就能够离开镇上，而哈德逊医生会帮他修复所有路面。而若是哈德逊医生赢了，麦昆必须依照哈德逊医生的方式修补马路。在比赛开始时，麦昆很快的向前冲出起点，而哈德逊医生却留在原地，还请板牙沿路帮忙。看起来麦昆将会赢得比赛，他却在一个急转弯处飞了出去，并卡在一丛仙人掌中（正如哈德逊医生所料）。于是哈德逊医生“赢了”这场比赛，而板牙则把麦昆从仙人掌中拖出来。
在比赛过后，麦昆修复了一半的道路，路面变得非常平整，镇上的居民都感到非常惊讶。麦昆在比赛时飞出了弯道，因此警长让麦昆在他的监视下试着再次过弯，结果还是失败。哈德逊医生提示他要使用“打反胎”（opposite lock）的方法，但麦昆忽视他的提示。不久之后，麦昆发现了哈德逊医生最大的秘密：他曾经是活塞杯的传奇赛车手“哈德森·霍内特”，并且是连续三届的车王（1951年、1952年、1953年）。哈德逊医生生气的把麦昆赶出了他的诊所仓库。随后，麦昆也发现哈德逊医生因为严重的车祸意外而终止了他的赛车生涯。当他维修好准备重回赛车场时，却发现没有任何人要赞助他。莎莉最后决定要带着麦昆穿越水箱温泉镇外围的山谷兜风，最后停在“轮仓旅店”（Wheel Well Motel）—一间座落在能俯瞰整个小镇和山谷的悬崖上的老旧饭店。在悬崖上，麦昆得知了水箱温泉镇以前因为在66号公路旁边而相当繁荣，但因为40号州际公路的启用，没有人再走66号公路了，因为66号不是高速公路。因此小镇的访客逐渐减少，最后终于没落。随着时间过去，麦昆了解了小镇遇到的困难，并且和镇上的所有居民成为好朋友。当麦昆完成铺路的工作后，他到镇上的每一间店去消费，之后他们举办了一场“游行”（慢慢的开车）。此时，当麦昆帮助完每个人之后，哈德逊医生暗中通知媒体麦昆正在他们的镇上，于是大批的媒体和马克全都来到小镇，麦昆就在匆促下离开小镇去参加比赛。
在加州的比赛中，麦昆因为不时想到莎莉和水箱温泉镇而分心而落后，但在他看到水箱温泉镇上的居民都到了赛车场上担任他的维修团队（除了莎莉、荔枝婆，他们留在镇上透过电视转播观看这场比赛）之后，麦昆重新振作了起来，而哈德逊医生是他的总维修师。除了麦昆被燃起的斗志之外，来自水箱温泉镇的维修团队也帮了很大的忙，包括哈德逊医生的战术指挥，和奇诺超快速的更换轮胎技巧，甚至要比大多数整组的维修团队还快。这些让麦昆能够追上其他的车辆并且取得领先。在最后一圈时，路霸为了不让自己成为最后一名而采取了最后的激烈手段，紧跟在车王（The King）后面，并把他撞飞到空中，使得车王重重的摔落地面后又滚了好几圈。即将赢得胜利的麦昆，看到这一幕便想起了当初哈德逊医生因为车祸而终止了他的职业生涯，于是麦昆踩下煞车，在距离终点线仅有一小段距离的地方停下。他停留在终点线前直到路霸通过，之后折回赛场中从后面把车王推向冲点，让他能有尊严的完成这场比赛，因为麦昆不希望发生在哈德逊医生遭遇的事情在车王身上重演。路霸赢得了活塞杯，但却因为作弊而被众人唾弃；而大家纷纷赞赏车王和麦昆高尚的体育精神。恐龙公司邀请麦昆成为代言人，但是他拒绝了，麦昆决定继续跟他的旧赞助商“除锈灵”（Rust-eze）合作，麦昆说“是他们帮助我走到现在”。但麦昆还是要求恐龙公司的总裁得克斯先生（Tex Dinoco）帮他一个忙，用直升机载板牙一程，这是麦昆之前答应他的约定。
麦昆决定搬到水箱温泉镇建立他的赛车事业总部，以及哈德逊医生的博物馆。因为麦昆，大量游客始重回水箱温泉镇，让小镇重新繁荣起来，而曾经一度废弃的66号公路又再次成为主要的交通路线，并且正式被官方认定为“历史性的66号公路”（Historic Route 66）。