Saetta McQueen continua la sua vita nelle corse, con i suoi amici Bob Swift e Cal Weathers. Durante una di queste corse Saetta viene sconfitto da Jackson Storm, una nuova macchina da corsa di ultima generazione. Qualche giorno dopo Storm diventa il nuovo campione ed il successo da lui conseguito costringe molti vecchi campioni, tra cui Bobby e Cal, a ritirarsi. Saetta non si rassegna all'anzianità e decide con tenacia di continuare a gareggiare. Durante una di queste corse, nell'estremo tentativo di sconfiggere Storm, una delle sue ruote posteriori ha un cedimento e McQueen rimane vittima di un incidente in seguito al quale non potrà terminare il campionato, lasciando così Storm vincere la sua prima Piston Cup.
Quattro mesi dopo Saetta, ripresosi dal grave incidente, ma ancora scosso, trascorre il tempo chiuso in se stesso a rievocare gli insegnamenti del suo mentore Doc Hudson. Grazie al sostegno di Sally, di Cricchetto e di tutti gli amici di Radiator Springs, quest'ultimo decide di tornare a gareggiare e contatta i suoi storici sponsor della Rust-eze che lo invitano a recarsi al loro nuovo centro d'allenamento.

Saetta parte insieme a Luigi, Guido e Mack, e una volta giunto a destinazione scopre che Rusty e Dusty hanno venduto la loro azienda a Sterling, un milionario più concentrato a fare soldi che al reale benessere dei suoi corridori. Saetta conosce così la giovane Cruz Ramirez, una personal trainer che deve gradualmente avvicinare McQueen alle nuove tecnologie che utilizzano i piloti moderni per allenarsi.

I risultati di questo primo approccio alla tecnologia moderna sono disastrosi. Pur non essendo ancora pronto, malgrado la ritrosia di Cruz, McQueen si ostina ad utilizzare il simulatore finendo per distruggerlo. Sterling, ormai stanco dell'inefficienza di Saetta, tenta di convincerlo a dedicarsi alla promozione degli accessori per auto della Rust-eze. McQueen si rifiuta strappando al proprietario la promessa che se riuscirà a vincere la prima gara della successiva Piston Cup che si correrà dopo due settimane in Florida, sarà lui a decidere quando ritirarsi.

Per allenarsi McQueen decide di partecipare ad una corsa di autocross a Thunderland insieme a Cruz e per non farsi riconoscere dal pubblico si fa completamente ricoprire di fango. Una volta entrati nel recinto capiscono che non si tratta di una corsa normale, ma di un circuito a "otto" nel quale le vetture puntano a distruggere le altre fino a quando non rimane un solo vincitore. Alla fine di una corsa rocambolesca durante la quale Saetta salva Cruz dall'ira di uno scuolabus arrabbiatissimo che sembra essere il boss del circuito e che si chiama Miss Fritter, Ramirez vince la gara mentre McQueen viene travolto da un'ondata di acqua uscita da un'autocisterna. La copertura di fango si scioglie e tutto il mondo viene a sapere che Saetta si è dato alle corse di autocross non riuscendo più a competere con i campioni della Piston Cup.
McQueen è furioso perché sa di aver sprecato altro tempo che avrebbe dovuto dedicare all'allenamento. Tra i due ne scaturisce un alterco e Cruz rivela a Saetta di essere in realtà un'auto da corsa che aveva sempre desiderato emulare le gesta del suo campione preferito, ovvero proprio la numero 95, Saetta McQueen. Malgrado la giovane età ed il preconcetto che molti nutrivano nei suoi confronti perché era una ragazza, Ramirez racconta che una volta era riuscita ad ottenere l'ingaggio per la sua prima corsa, ma all'ultimo momento si era ritirata perché si era sentita inadeguata. Detto ciò Cruz abbandona Saetta e se ne va. Quest'ultimo capisce di aver esagerato nei confronti della nuova amica e la rincorre per scusarsi e per convincerla a seguirlo a Thomasville. Saetta è sicuro che l'unico che possa aiutarlo a ritrovare la forma perduta sia l'allenatore di Hudson Doc Hornet, ovvero il vecchio Smokey.