La estrella de los coches de carrera, "Rayo" McQueen, y la incomparable grúa Mate, llevan su amistad hacia emocionantes destinos en CARS 2, cuando cruzan el océano para participar en el primer “Grand Prix Mundial”, en el que se determinará cuál es el automóvil más veloz del mundo. Pero el camino hacia el campeonato se llena de baches, desvíos y desopilantes sorpresas cuando Mate se ve atrapado en una misteriosa aventura de espionaje internacional.

Ante la disyuntiva de ayudar a "Rayo" McQueen en la carrera o actuar en la misión de espionaje ultra-secreta, el viaje de Mate, pleno de acción, lo conduce a una persecución explosiva a través de las calles de Japón y de otros países europeos, acompañado por sus amigos y visto por el mundo entero. Además, a esta acelerada diversión se agrega un colorido reparto de nuevos coches, entre los que se incluyen agentes secretos, amenazadores villanos y notables competidores de carreras internacionales.