Après s'être complètement égaré dans la jungle où il a du apprendre à survivre, Miles Axelrod a mis au point un carburant écologique révolutionnaire : l'Allinol. Et pour prouver au monde entier tout le bénéfice qui découle de ce nouveau biocarburant, il convit toutes les plus célèbres voitures du monde à participer à son Grand Prix Mondial. Malheureusement des évènements inexpliqués se produisent pendant les courses, Flash McQueen et Martin se trouvent dès lors mêlés à la plus grande affaire d'espionage jamais imaginée.