La película se desarrolla en un mundo habitado sólo por coches inteligentes, aunque con las tradiciones y convenciones de nuestro mundo. Allí comienza a triunfar Rayo McQueen, un joven y valiente coche de carreras. Tras varias pruebas destacables, Rayo disputará la final de la Copa Pistón en California. Pero, durante el viaje hacia la carrera, se pierde en la mítica Ruta 66 y se encontrará confundido en el perdido pueblo de Radiador Springs. Allí es obligado a hacer diversos servicios sociales, mientras conoce a unos cuantos coches singulares, que le harán reconsiderar su ligero planteamiento vital.
Al ir pasando los días, va haciendo amistad con los residentes del pueblo (especialmente con Sally y Mate), y se entera de que tiempo atrás Radiador Springs solía ser una parada popular en la Ruta 66, pero con la construcción de una interestatal que aisló al pueblo y les ahorró a los conductores diez minutos de camino, Radiador Springs quedó borrado del mapa, con lo que muchos de los residentes cerraron sus negocios y se fueron. McQueen además descubre que Doc es, en realidad, el "Fabuloso Hudson Hornet", un legendario corredor que ganó tres Copas Pistón consecutivas , pero a causa de un accidente que lo relegó de las pistas y se retiró, aunque no ha perdido su habilidad. Sin embargo, sigue resentido por el hecho de que lo hayan abandonado tan rápido después de su accidente y se rehúsa a entrenar a McQueen cuando este se lo pide.