Après avoir aidé Dominic Toretto à échapper aux autorités, Brian O'Conner prépare ses affaires et quitte sa maison au volant de sa Mitsubishi 3000 GT modifiée. Peu de temps après, la police de Los Angeles arrive à sa maison, mais ils ne le trouvent pas. Un des officiers trouve l'insigne que Brian a laissé, révélant qu'il a démissionné...
Quadruple champion de la Piston Cup, la voiture de course Flash McQueen revient chez lui à Radiator Springs et retrouve son meilleur ami, Martin, et sa petite amie, Sally Carrera. L'ancien magnat du pétrole Sir Miles Axlerod, maintenant défenseur de l'énergie verte et reconverti en voiture électrique, annonce une série de courses appelées le « World Grand Prix », comme un moyen de promouvoir l'Allinol, un carburant qu'il a créé. Bien que McQueen refuse d'abord de participer, le défi lancé par la voiture de Formule 1 italienne Francesco Bernoulli, ainsi que l'intervention de Martin, le conduisent à entrer dans le Grand Prix. À la demande pressante de Sally, McQueen accepte d'emmener Martin au Japon avec lui. Mais la dépanneuse l'embarrasse à plusieurs reprises à cause de sa joyeuse naïveté.
Célèbre champion de course automobile Joe Greer revient dans sa ville natale pour participer à une course locale. Il découvre son frère cadet a des aspirations à devenir un champion de course et pendant la course Joe perd son sang-froid quand un autre pilote son tué, laissant son frère pour gagner. La chance de Joe prend un plongeon tandis que son frère monte à la hauteur de la renommée.
Martinet et Legendre anciens ouvriers sont devenues dirigeants d'entreprises après avoir gagné à la loterie. Martinet joue en bourse contre Ancelier, son ancien patron et le ruine, ce qui provoque la colère de Legendre mais aussi de son propre fils. Pendant ce temps Betty et Fronsac un couple d'aventurier tentent d'obtenir les faveurs de Legendre afin de promouvoir la sortie d'un film. L'affaire échoue, Madame Legendre surprenant son mari en train embrasser Betty. Le couple se rabat alors sur Martinet. Celui-ci traverse une mauvaise passe à la suite de la révélation d'un vice de construction sur ses automobiles qui a failli coûter la vie à son fils. Legendre intervient lui expliquant qu'il vient de jouer un coup de bourse qui lui a permis de rafler tous ses avoirs. Legendre est ruiné, Martinet s'ennuie et ils finiront par jouer à la belote avec Ancelier et le majordome.
Erica Enders ne partage décidément pas les goûts des adolescentes de son âge. Quand la Fédération Nationale de Dragsters décide d'ouvrir un nouveau championnat pour les jeunes pilotes de 8 ans, elle n'hésite pas, en effet, à s'y inscrire, soutenue dans sa démarche par son père et associée pour la compétition à sa jeune sœur Courtney...
Cole Trickle (Tom Cruise) est un pilote de talent mené par l'impérieux besoin d'être le meilleur. Découvert par Tim Daland (Randy Quaid), Cole va faire équipe avec un entraîneur légendaire, Harry Hogge (Robert Duvall) pour gagner la course de Daytona 500. Mais un terrible accident se produit. Cole, avec sa voiture n 46 percute son meilleur ennemi sur la piste Rowdy Burns (Michael Rooker), voiture n 51, et ils partent tous les deux pour l'hôpital. Ils deviendront par la suite de très bons amis.
Speed Racer est un jeune prodige de la course automobile, né pour la course au sein d'une famille de pilotes. Or, lorsqu'il défie M. Royalton, président-directeur général corrompu des Industries Royalton, le jeune homme découvre que tout n'est pas rose dans le sport qu'il adore.
Amateur inventor Joe Belden has his Indiana hometown in a tizzy over his new "horseless carriage" in 1895. It runs on gasoline, but the townspeople aren't impressed and only Joe's mom and his sweetheart Liz Bullitt are supportive.
Un rallye Monte-Carlo avec une faune de bande dessinée comprenant le bon, la brute, le truand, les féministes, l'inventeur de l'inutile, des policiers italiens...
Le pilote automobile arrogant Nick Jargin a pris sa retraite depuis qu'il a failli causer la mort de son frère dans un virage en épingle à cheveux sur un circuit. Il tient désormais un café branché qui l'occupe à plein temps jusqu'au jour où Tony Boari, un nouveau champion de course, le défie.
Sean Boswell est un passionné de courses automobiles ayant eu plusieurs ennuis avec la police californienne. Pour éviter la prison, il doit se rendre chez son père, militaire basé à Tokyo. Sean se sent exclu des autres élèves jusqu’à ce qu'il rencontre Twinkie qui lui fait découvrir le drifting, un sport clandestin où l'audace, l'élégance et la fluidité sont plus importants que la vitesse. Malheureusement, Sean va faire la rencontre de DK (« Drift King »). Pour Sean, ce n'est plus un amusement mais bel et bien une véritable course.
When race car driver Brewster Baker (Kenny Rogers) is stopped at a gas station, parts are stolen from his race car. Then while in a diner in a small Texas town, he sees some people stealing parts from another car, and chases the thieves. When the thieves' van goes into a river, Brewster rescues them and discovers that they are orphaned children. The kids were stealing auto parts for "Big John" the corrupt county sheriff, who jails Brewster for breaking and entering, larceny, resisting arrest and speeding. After the kids help break Brewster out of jail, Brewster reluctantly takes the children with him. Eventually, they form a friendship and bond. The end of the movie features real race footage from the 1982 NASCAR Coca-Cola 500, held at Atlanta Motor Speedway and won that year by Darrell Waltrip.