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L'agente segreto britannico Finn McMissile giunge su una piattaforma petrolifera in mezzo all'oceano per ottenere le prove di alcuni loschi traffici messi in atto dal terribile Professor Zundapp, che, insieme ad un gruppo di malviventi noti come I catorci (si tratta infatti di automobili vecchie e malandate), è entrato in possesso di un pericoloso congegno simile ad una telecamera. Il Professore nota la presenza dell'agente e lo fa rincorrere dai suoi scagnozzi. Finn riesce a fuggire fingendosi morto e fugge navigando sott'acqua, verso la terraferma.

Nel frattempo, a Radiator Springs, il carro attrezzi Cricchetto rivede il suo amico Saetta McQueen, ormai vincitore di quattro Piston Cup. Quella sera, la TV trasmette un programma dove viene intervistato Miles Axlerod, un ricco petroliere che ha annunciato di aver deciso di convertirsi alle energie rinnovabili ed di essere riuscito a fabbricare un carburante alternativo ecologico, l'Allinol. Il magnate è intenzionato ad organizzare una serie di gare in varie località del mondo, il World Grand Prix, per pubblicizzare il prodotto. Alle gare partecipa anche una delle auto da corsa più forti del mondo, un'arrogante Formula 1 italiana chiamata Francesco Bernoulli, il quale, invitato alla trasmissione, sfida Saetta alla gara con tono canzonatorio, sicuro di batterlo. Saetta accetta e parte insieme a Cricchetto verso la prima tappa del tour, a Tokyo.

Arrivati nella città ricompare Finn McMissile, che incontra l'agente Holley Shiftwell e viene a sapere che un agente americano deve passargli delle informazioni sulla piattaforma petrolifera. McMissile si accorge però della presenza dei catorci alla presentazione e chiede a Holley di prelevare lei le informazioni al suo posto. Alla festa per il World Grand Prix, Cricchetto mette in imbarazzo McQueen sia davanti a Francesco che davanti al pubblico. Intanto l'agente americano sta per rivelare via radio le informazioni a Holley, ma viene ostacolato dai Catorci, perciò affida il congegno a Cricchetto, a sua insaputa. Cricchetto viene raggiunto da Holley, che lo scambia per la spia americana e lo invita a parlare in privato della questione. Cricchetto, confuso, crede che Holley voglia incontrarlo per un appuntamento romantico e accetta; quando Cricchetto vede Finn affrontare due Catorci, non ricordando di avere indosso le cuffie per comunicare con Saetta, inizia a dire cose che Saetta sente a sua insaputa e interpreta come consigli su come comportarsi in gara: consigli decisamente controproducenti che lo portano ad essere sorpassato e sconfitto da Francesco. Dopo la gara Saetta, furioso, rimprovera Cricchetto, che poco dopo decide di tornare a Radiator Springs per non causare altri problemi.

All'aeroporto Cricchetto e Finn vengono inseguiti dai Catorci e grazie a Siddley, il jet spia dei due agenti segreti, si salvano. A bordo i tre eseguono un'analisi di una foto passata a Cricchetto dall'americano e decidono di andare a Parigi alla ricerca di un informatore di Finn, il trafficante di pezzi di ricambio Tomber, che dice loro di aver venduto molti pezzi rari all'auto vista nella foto di Cricchetto (in cui si vede un motore vecchio e scadente), che sembrerebbe essere il capo dei Catorci. Intanto Saetta è arrivato in una località turistica in Italia, dove si appresta a partecipare alla seconda gara, mentre il trio di spie si infiltra nel raduno dei Catorci.

A questo punto i piani dei Catorci vengono svelati: vogliono distruggere la reputazione di Axlerod e dell'Allinol facendo esplodere le auto che lo utilizzano in gara con la telecamera speciale vista da Finn, che si è scoperta essere in realtà un trasmettitore di raggi elettromagnetici in grado di innescare una reazione esplosiva con l'Allinol. Però la copertura salta e Cricchetto cerca invano di avvertire McQueen, ma viene catturato dai catorci insieme a Finn e Holley. I tre vengono intrappolati nel Big Bentley a Londra, in modo che siano distrutti dai suoi ingranaggi; Cricchetto riesce però a liberarsi, come poco dopo anche Finn e Holley. Quando Saetta viene colpito dal raggio mortale, però, non esplode, e i Catorci ricorrono al piano di riserva: una bomba per farlo saltare in aria. Finn e Holley scoprono che la bomba è dentro Cricchetto e riescono ad avvisarlo. Dopo un inseguimento, Finn cattura il crudele Zundapp, che rivela loro che la bomba può essere disattivata tramite comando vocale solo da chi l'ha attivata, e chi l'ha attivata non è lui. Cricchetto capisce così che in realtà il vero capo dei Catorci è Axlerod, che avrebbe quindi creato l'Allinol apposta per farlo screditare nelle gare. Il carro attrezzi fa quindi in modo che il petroliere venga arrestato, costringendolo a disattivare la bomba e mostrando che sotto il suo cofano c'è il motore incriminato della foto (quindi Axlerod aveva solo finto di convertirsi alle energie rinnovabili).

Una volta arrestato Axlerod, Cricchetto viene nominato dalla Regina d'Inghilterra "Sir Carl Attrezzi". Dopodiché, la gara finale del World Grand Prix si svolge a Radiator Springs, mentre a guardarla ci sono Finn e Holley e Cricchetto, gli ultimi due fidanzati. Finn e Holley partono così per una nuova missione.