Relâmpago McQueen (Owen Wilson) é um carro de corridas ambicioso, que já em sua primeira temporada na Copa Pistão torna-se um astro. Ele sonha em se tornar o primeiro estreante a vencer o campeonato, o que possibilitaria que assinasse um patrocínio com a cobiçada Dinoco. A fama faz com que Relâmpago acredite que não precisa da ajuda de ninguém, sendo uma “equipe de um carro só”. Esta arrogância lhe custa caro na última corrida da temporada, fazendo com que seus dois pneus traseiros estourem na última volta da corrida. O problema permite que seus dois principais adversários, o ídolo Rei (Richard Petty) e o traiçoeiro Chicks (Michael Keaton), cruzem a linha de chegada juntamente com ele, o que faz com que uma corrida de desempate seja agendada na California. Relâmpago é então levado para o local de corrida por Mack (John Ratzenberger), um caminhão que faz parte de sua equipe. Ele quer chegar ao local antes de seus competidores e, por causa disto, insiste que Mack viage sem interrupções. Mack termina dormindo em pleno trânsito, o que faz com que a caçamba se abra e Relâmpago, que também estava dormindo, seja largado em plena estrada. Ao acordar Relâmpago tenta encontrar Mack a todo custo, mas não tem sucesso. Em seu desespero ele chega à pequena Radiator Springs, uma cidade do interior que tem pouquíssimo movimento e que jamais ouviu falar de Relâmpago ou até mesmo da Copa Pistão. Porém, por ter destruído a principal rua da cidade, Relâmpago é condenado a reasfaltá-la. Obrigado a permanecer na cidade contra a sua vontade, aos poucos ele conhece os habitantes locais e começa a se afeiçoar por eles. Depois de muito se afeiçoar por todos, ele descobre que o Juiz da cidade é um antigo tri campeão da copa pistão e que havia parado por causa de uma batida muito violenta. Na última noite na cidade, após quase a reforma total dela, a imprensa acha Relâmpago McQueen e o leva para a corrida. Nela, ele inicia muito mal pois sempre se lembra da cidade (um detalhe não mencionado é que Relâmpago McQueen havia despedido todos de sua equipe por incompetência, fato este não verdadeiro). Durante a corrida, todos da cidade acabam se tornando a sua equipe e ele fica no fim da corrida muito perto dos lideres. Após uma quase batida ele fica na liderança, mas um dos corredores que sempre chegava atrás do terceiro competidor (um antigo campeão e que estava se despedindo das pistas) resolve causar um batida para pelo menos uma vez não ficar atras dele. Ele sofre um acidente igual ao do Juiz da cidadezinha e mesmo tendo estando a centímetros da linha de chegada, Relâmpago McQueen resolve parar e empurrar o antigo campeão para que ele termine a sua última corrida.
No fim, Relâmpago McQueen resolve se mudar para a pequena cidade e ela volta a ficar famosa.
