Quando Andy se prepara para ir para a faculdade, Woody, Buzz, Jessie e o restante dos leais brinquedos de Andy pensam o que irá acontecer com eles. Mas quando uma confusão faz com que eles sejam levados à creche Sunnyside, eles conhecem um anfitrião de novos brinquedos e logo descobrem que uma nova aventura selvagem está apenas começando!

Ao viajar para a Califórnia, o famoso carro de corridas Relâmpago McQueen se perde e vai parar em Radiator Springs, uma cidadezinha na Rota 66. Ele conhece novos amigos e aprende lições que mudam sua forma de encarar a vida.

Maggie Peyton sempre foi proibida de seguir seus sonhos de corrida por seu pai superprotetor e não tem ideia de que sua vida está prestes a dar uma enorme guinada. Depois de descobrir o irresistível Herbie em um ferro-velho, eles formam uma equipe mágica que vai salvar sua família e reescrever os livros de recordes de corrida.