En la Coney Island de la década de 1950 el joven Mickey Rubin (Timberlake), un apuesto salvavidas del parque de atracciones que quiere ser escritor, cuenta la historia de Humpty (Jim Belushi), operador del carrusel del parque, y de su esposa Ginny (Winslet), una actriz con un carácter sumamente volátil que trabaja como camarera. Ginny y Humpty pasan por una crisis porque además él tiene un problema con el alcohol, y por si fuera poco la vida de todos se complica cuando aparece Carolina (Juno Temple), la hija de Humpty, que está huyendo de un grupo de mafiosos.

Rayo McQueen y la adorable grúa Mate viajan al extranjero para participar en el primer Campeonato Mundial en el que se decidirá cuál es el coche más rápido del planeta. La primera escala es Tokio, Japón, donde Mate tendrá que convertirse en un espía secreto al verse envuelto sin saberlo en un caso de espionaje internacional, que le llevará a París y a Londres. Por si fuera poco, también vivirán una aventura de proporciones épicas al viajar a Porto Corsa, Italia, para disputar el primer Campeonato Mundial. La pareja tendrá que perderse las especialidades de la Riviera italiana -yates, playas y pasta al pesto- ya que Mate tiene que dar un rodeo en su misión de espionaje, mientras McQueen compite contra los mejores del mundo.