Cars 3 bercerita tentang perjalanan Lightning McQueen (Owen Wilson) yang terancam oleh kehadiran pembalap generasi baru bernama Jackson Strom (Armie Hammer). Setelah banyaknya kekalahan dan juga ditambah kecelakaan fatal yang berujung dramatis, McQueen harus instropeksi diri. Ia pun mempertanyakan apakah dirinya akan pensiun dari dunia balap seperti mentornya terdahulu, Doc Hudson (Paul Newman)?Untuk mempertahankan karirnya, McQueen bertekad untuk kembali ke arena dengan meminta bantuan seorang teknisi muda berbakat, Cruz Ramirez (Cristela Alonzo). Cruz yang paham teknologi mobil balap berusaha untuk membantu McQueen dengan menyediakan beragam teknologi yang bisa membuatnya merebut kursi juara dari Storm. Alih-alih bisa bekerjasama dengan lancar, McQueen dan Cruz malah sering berdebat, terlebih McQueen sangat susah untuk dinasihati. Akankah Cruz berhasil membantu McQueen kembali meraih kemenangan di arena balap?