Piston Kupası sezonunun ilerledikçe Şimşek McQueen ve diğer kıdemli yarışçıları, performanslarını artırmak için en yeni teknolojiyi kullanan yeni nesillerin bir parçası olan kibirli bir yarışçı olan Jackson Storm’un gölgesinde kaldıklarını fark ediyorlar. Gelecek nesil otomobiller yarışmaya başladığında, eski yarışçılar yavaş yavaş emekli ya da sponsorları tarafından kovuluyor. Sezonun final yarışında Yıldırım Fırtınayı geçmeye çalışıyor ancak kontrolü kaybediyor ve şiddetli bir rollover kazası geçiriyor.
Dört ay sonra, Radyatör Yayında kurtarıldığında Yıldırım, geç akıl hocası Doc Hudson’un hayatını sona erdiren kazanın görüntüsünü izliyor. Kız arkadaşı Sally Carrera’ya, Doktor olduğu gibi emekliliğe zorlanmasını istemediğini ve eğitimine tekrar başlamaya karar vererek kenarı yeniden kazanmanın yeni yollarını aradığını söyledi.
Rusty ve Dusty, Şimşek Rust-eze yarış takımının sahipleri onu yeni açılan bir yarış merkezine gönderirler. O geldiğinde Rust-eze’yi antrenör Cruz Ramirez ile çalışmaya bırakan yeni Sterling’e sattıklarını öğrenir. Yıldırım, Cruz’un yöntemleriyle sabırsızlanır ve yalnızca ekipmanın ciddi hasar görmesine neden olmak için yüksek teknolojili bir yarış simülatörü kullanmaya çalışır.
Şimşek’in artık kazanamayacağına ikna olan Sterling, onu yarış pistinden alıp ürün onayları için kullanmaya hazır. Yıldırım bunun yerine bir anlaşma öneriyor: Florida’daki yeni sezonun ilk yarışını kazanırsa, kendi takdirine bağlı olarak yarışa devam edebilir; Aksi takdirde derhal emekliye ayrılacaktır. Sterling anlaşmayı kabul eder ve yakınlardaki bir plajda kendisiyle birebir çalışmak için Cruz’u gönderir.
Yıldırım, Storm’u yenmek için kendi hızını arttırmak yerine, Cruz’un kumla yarışmaya alıştığı günlerin çoğunu geçirir. Doc’ın yarıştığı ve yanlışlıkla Cruz’un nihai olarak kazanacağı bir yıkım derbisinde yarışacakları bir toprak yoluna giderler. Şimşim zamanını israf ettiği için kızdığında Cruz, gençken profesyonelce yarışmak istediğini ortaya koyuyor ancak diğer otomobiller tarafından üstün görüldüğü için yarışa hiç başlamamıştı. Tek başına yarış merkezine geri dönmek için ayrılıyor.
Fırtına’nın yeni hız rekoruyla ilgili bir rapor gördükten sonra Yıldırım, en yakın arkadaşı Mater’i tavsiye istemek için çağırıyor. Mater, Doc’un danışmanı Smokey’i izlediğini belirtti. Yıldırım Cruz’u alır ve ikisi, Doc’ın memleketi Thomasville’e gider ve burada Smokey ile birkaç Doc eski arkadaşını bulurlar. Cruz’un yardımı ile Yıldırım’ı fırtınayla atmak yerine, Fırtınayı zekice atmak için yöntemler kullanıyorlar. Smokey, kazasından sonra Doktor’un tekrar yarışmadığı halde yıldırım eğitimi konusunda yeni bir mutluluk bulduğunu ortaya koyuyor. Son bir uygulama yarışı sırasında Yıldırım’ın çarpışmasına bir geri dönüş yapıyor ve Smokey’nin derslerinden bir kısmını kalpten alıyor Cruz’u kaybediyor.
Florida’daki yarışta Yıldırım, Smokey’yi ve Doktor’un eski arkadaşlarını ona tezahürat yapmak için şaşırtıyor. Yarışa birkaç tur atılan Sterling, aralarında Cruz’u buldu ve yarış merkezine geri dönmesini emretti. Yıldırım onu hız hattına geri çağırıyor, pit ekibini yarış için giydirip onun numarasını vererek yerini alabiliyor. Hem Smokey’in tavsiyesini hem de kendi fikrini kullanan Yıldırım, Fırtınanın arkasında ikinci sıraya gelene kadar onu pakete çağırıyor. Son turda, Storm duvara Cruz’u koçluk eder, ancak yarışın kazanılması için Doc’ın eski tekniklerinden ve topraklarından birini kullanarak atlar. O ve Yıldırım’ın her ikisi de zaferle ödüllendirildi ve Dinoco için yarış teklifini kabul etmek için Sterling’le olan görevinden ayrıldı.
Daha sonra Radiator Springs’de Şimşek ve Cruz, arkadaşları için bir sergi yarışına girdiler. Hafızasını onurlandırmak için Doc’ın eski yarış renklerini ve sayılarını seçtiler. Dinoco, Rust-eze’yi Sterling’den aldı ve Şimşek, yarışa devam etmeye ve Cruz’u eğitmeye karar verir.
Cars 3 16 Haziran 2017‘de Sinemalarda Vizyon’a Girdi.