CARS 2 dibintangi oleh Owen Wilson sebagai Lightning McQueen dan Larry the Cable Guy sebagai Mater, ditemani Michael Caine, Emily Mortimer, Eddie Izzard, serta John Turturro. KLovers, sekuel ini membuka cerita dengan misi mata-mata penuh ketegangan ketika agen rahasia Inggris Finn McMissile menyusup ke anjungan minyak di Samudra Pasifik milik geng mobil lemon kriminal.

Di sana, Finn menyaksikan Profesor Zündapp dan komplotannya menyiapkan senjata pulsa elektromagnetik yang disamarkan sebagai kamera TV. Misi berubah tragis saat rekannya, Leland Turbo, terbunuh, memaksa Finn melarikan diri dengan memalsukan kematiannya.

Usai memenangkan Piston Cup keempat untuk mengenang Doc Hudson, Lightning McQueen kembali ke Radiator Springs menikmati masa libur. Tantangan datang dari Francesco Bernoulli yang menantangnya ikut World Grand Prix, ajang balap internasional tiga seri gagasan Sir Miles Axlerod untuk mempromosikan bahan bakar ramah lingkungan bernama Allinol.

Lightning berangkat ke Tokyo bersama Mater dan teman-temannya. Namun di acara promosi, tingkah Mater yang memalukan membuat Lightning kesal dan hubungan mereka merenggang.

Tanpa disadari, Mater justru terseret ke dunia spionase. Sebuah alat rahasia ditempelkan ke tubuhnya, membuat Finn dan Holley Shiftwell mengira Mater adalah agen kontak mereka. Di sisi lain, Profesor Zündapp mengungkap bahwa Allinol justru berbahaya karena bisa terbakar saat terkena EMP. Mater pun tanpa sadar menjadi kunci untuk menggagalkan rencana jahat para mobil lemon yang ingin menghancurkan World Grand Prix.

Balapan demi balapan berlangsung di Tokyo, Paris, dan Italia dengan kekacauan yang makin besar. Kesalahpahaman membuat Lightning sempat marah besar pada Mater. Namun seiring terungkapnya konspirasi Axlerod sebagai dalang utama, kita melihat bagaimana Mater justru menjadi pahlawan tak terduga.

Aksi kejar-kejaran, sabotase, dan persahabatan diuji hingga puncaknya di London, saat rahasia Allinol terbongkar dan rencana jahat para lemon berhasil digagalkan.