O mundo se prepara para ver o astro das corridas Relâmpago McQueen em mais uma aventura - agora, o objetivo é provar qual é o carro mais veloz. Em Carros 2, o campeonato é o Grand Prix Mundial e a trama visita países da Europa, além do Japão.

Em meio às surpresas, no caminho que leva à vitória, o carro-guincho Mate se envolve em uma missão secreta de espionagem internacional, o que faz ele se dividir entre a nova aventura e o apoio ao amigo piloto. As situações engraçadas acompanham o desafio, que chega recheado de novos carros - competidores, vilões e até agente secretos.

Na versão em português, o brasileiro campeão mundial Emerson Fittipaldi dubla um ídolo das pistas que leva o seu nome. Nas outras versões pelo mundo, esse personagem se chama Lewis Hamilton. Outras personalidades famosas estão entre os dubladores da animação que chega aos cinemas em exibições 3D, entre elas o locutor Luciano do Valle, o comentarista José Trajano e a cantora Claudia Leitte, que dá voz a uma personagem brasileira.