Cars 2 เริ่มเรื่องมาด้วยสายลับฟินจากอังกฤษแอบไปสังเกตการณ์แท่นขุดเจาะน้ำมันและถูกจับได้ สายลับฟินแปลงรถเป็นเจ็ทสกีหนีจากนั้นก็แกล้งทำเป็นระเบิดและดำลงสู่ผิวน้ำหนีไป พวกที่ติดตามคิดว่ากำจัดสายลับฟินสำเร็จแล้ว ตัดมาที่เมืองเมเทอร์ดีใจมากที่แมคควีนกลับมาเยี่ยมหลังจากชนะได้เป็นแชมป์ 4 สมัยพิสตันคัพ ระหว่างแมคควีนเดทกับ แซลลี ไมล์ แอกเซอร์ลอด ผู้สนับสนุนใหญ่จัดการแข่งขันเวิร์ลดกรังปรีซ์กำลังให้สัมภาษณ์ออกทีวี ไมล์เสนอออลลินอลพลังงานทางเลือกใหม่ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม รายการเชิญฟรานเชสโกรถแข่งสัญชาติอิตาลีมาออกรายการ ฟรานเชสโกดูถูกแมคควีนจนเมเทอร์ทนไม่ไหวโทรเข้าไปในรายการ แมคควีนขอพูดเองและรับคำเชิญของไมล์ร่วมเข้าแข่งขันเวิร์ลดกรังปรีซ์ด้วย
การแข่งขันสนามแรกจัดที่ญี่ปุ่นแมคควีนชวนเมเทอร์ร่วมทีมไปด้วยเมเทอร์ดีใจมาก เมเทอร์กินวาซาบิเข้าไปเลยต้องเข้าห้องน้ำ สายลับฟินกับชิฟท์เวลกำลังตามเรื่องที่พวกอเมริกันนัดพบกับพวกผู้ร้ายในห้องน้ำพอดี รถอเมริกันแอบติดบางอย่างที่ท้ายรถเมเทอร์ก่อนจะถูกพวกผู้ร้ายจับตัวไป ชิฟท์เวลเข้าใจผิดคิดว่าเมเทอร์ก็คืออเมริกันคันนั้น รถอเมริกันถูกศจ.เติมออลลินอลเข้าไปและใช้กล้องที่แอบติดตั้งปืนยิงรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ายิงรังสีใส่จนรถระเบิด ศจ.ดูกล้องคิดว่าข้อมูลได้ถูกส่งต่อไปยังเมทอร์แล้วเลยสั่งลูกน้องตามหาตัวเมเทอร์ วันแข่งผู้ร้ายยิงรถที่เติมออลลินอลระเบิดกลางสนาม ชิฟท์เวลบอกทางวิทยุให้เมเทอร์หนี เมเทอร์คิดว่าชิฟท์เวลนัดออกไปเจอเลยออกจากสนามไป เมเทอร์ถูดผู้ร้ายโจมตีได้สายลับฟินช่วยไว้ ระหว่างนั้นเมเทอร์ที่ใช้วิทยุติดต่อกับแมคควีนอยู่ด้วยทำให้แมคควีนเข้าใจผิดจนแมคควีนถูกฟรานเชสโกแซงเข้าเส้นชัยไป
แมคควีนโกรธที่เมเทอร์ออกจากสนามไปจีบสาวเลยไล่ เมเทอร์ เมเทอร์พยายามอธิบายแต่แมคควีนบอกว่าไม่ต้องการให้เมเทอร์ช่วย ไมล์ออกมาแก้ข่าวเรื่องออลลินอลทำให้รถระเบิด เมเทอร์ตัดสินใจบินกลับเมืองแต่ถูกพวกผู้ร้ายไล่ตาม สายลับฟินกับชิฟท์เวลช่วยพาเมเทอร์ขึ้นเครื่องบินของสายลับหนีไป แมคควีนเสียใจที่เห็นจดหมายลาที่เมเทอร์ทิ้งไว้และคิดว่าเมเทอร์กลับบ้านไปแล้ว ชิฟท์เวลโชว์รูปที่ได้จากท้ายรถเมเทอร์ที่อเมริกันแอบติดไว้ ในนั้นเป็นรูปเครื่องยนต์แต่เมเทอร์อาศัยความเชี่ยวชาญส่วนบอกเรื่องอะไหล่พิเศษที่อยู่ข้างๆ สายลับฟินกับชิฟท์เวลคิดว่าเมเทอร์คือสายลับเลยชวนเมเทอร์ร่วมภารกิจด้วย เมเทอร์ตอบตกลง
เมเทอร์กับพวกสายลับไปพบพ่อค้าอะไหล่ที่อิตาลีซึ่งเป็นสถานที่จัดการแข่งขันสนามที่สอง พ่อค้าบอกเรื่องมีรถโทรมาสั่งซื้ออะไหล่ เมเทอร์สามารถบอกได้อีกว่าอะไหล่ส่วนมากเป็นที่นิยมของพวกรถรุ่นเก่าซึ่งพอดีกับที่พวกรถรุ่นเก่ามารวมตัวชุมนุมกัน ชิฟท์เวลแอบตั้งโปรแกรมกล้องที่สี่แยกเห็นรถยกแบบเดียวกับเมเทอร์ ชิฟท์เวลโมดิฟายเมเทอร์ให้ใช้คำสั่งเสียงปลอมตัวเมเทอร์เป็นรถยกคันนั้น แมคควีนมาถึงอิตาลีและเริ่มเศร้าที่ทะเลาะกับเมเทอร์ ฟรานเชสโกพูดจี้ใจแมคควีนเรื่องเมเทอร์ก่อนการแข่งขัน แมคควีนเมเทอร์แฝงตัวเข้าไปในการประชุมรถเก่า เจ้านายใหญ่ส่งมาแค่ภาพเครื่องยนต์ แผนคือจะกำลัดรถรุ่นใหม่ๆให้หมด ระหว่างการแข่งขันผู้ร้ายยิงรังสีใส่รถที่เติมด้วยออลลินอลระเบิดอีก สายลับฟินที่จะไปยับยั้งไม่ให้ยงติดกับถูกจับตัวไป สนามนี้แมคควีนเป็นผู้ชนะ
ไมล์ตัดสินใจยกเลิกไม่ให้รถแข่งใช้ออลลินอลในการแข่งขันอีก แมคควีนอาสาใช้ออลลินอลในการแข่งขันสนามหน้าเพราะเมเทอร์เคยแนะนำให้ใช้ ศจ.สั่งกำจัดแมคควีนในที่ประชุม เมเทอร์ถูกจับได้แต่อาศัยเครื่องมือที่ได้จากคำสั่งเสียงหนีรอดไปได้ เมเทอร์ไปเตือนแมคควีนแต่ถูกจับตัวไปซะก่อน ที่ลอนดอนสนามแข่งสุดท้ายเมเทอร์คิดได้ระหว่างถูกจับมัดไว้ที่หอนาฬิกาบิ๊กเบนพร้อมกับสายลับฟินและฟิชท์เวล ผู้ร้ายยิงรังสีใส่รถแมคควีนแต่รถกลับไม่ระเบิด ผู้ร้ายได้รับคำสั่งให้ใช้แผนสำรอง เมเทอร์หลุดจากเชือกได้สายลับฟินบอกให้รีบไปช่วยแมคควีน สายลับฟินกับฟิชท์เวลหนีรอดเจอชิ้นส่วนของเมเทอร์ถูกถอดออก ที่แท้แผนสำรองก็คือติดระเบิดไว้ที่เครื่องยนต์ของเมเทอร์เพราะรู้ว่าเมเทอร์ต้องตามไปช่วยแมคควีนแล้วค่อยกดระเบิด เมเทอร์ไปถึงสนามเมเทอร์รู้ตัวว่ามีระเบิดพยายามถอยหนีจากแมคควีนแต่แมคควีนไม่รู้เร่งเครื่องตามเมเทอร์ไป
สายลับฟินไล่ตามจับศจ.ได้สำเร็จ เมเทอร์ถูกพวกรถเก่าล้อมไว้ เมเทอร์พูดจนพวกรถเก่าเปลี่ยนใจได้สำเร็จ เมเทอร์คิดแผนได้แมคควีนบอกให้เมเทอร์ทำเลย เมเทอร์เร่งเครื่องไปหยุดอยู่หน้าพระที่นั่งของควีน เมเทอร์เปิดเผยว่าทั้งหมดเป็นแผนการของไมล์ ไมล์โกหกว่าใช้ระบบไฟฟาแต่จริงๆแล้วไมล์ใช้เครื่องยนต์รุ่นเก่าและยังคงใช้น้ำมัน บ.ของไมล์ค้นพบแหล่งน้ำมันแหล่งใหญ่เลยดัดแปลงออลลินอลซึ่งเป็นพลังงานทางเลือกและสร้างข่าวว่าเป็นอันตรายจนรถทุกคันหันกลับมาใช้น้ำมันเหมือนเดิม เมเทอร์ขับรถไปจ่อไมล์สุดท้ายไมล์ต้องยอมสั่งหยุดระเบิดด้วยเสียงตัวเอง
เมเทอร์ได้รับแต่งตั้งจากควีนเป็นเซอร์เมเทอร์ ทั้งหมดกลับไปที่บ้านเมเทอร์คุยเรื่องวีรกรรมของตัวเองไม่มีใครเชื่อ ชิฟท์เวลมาถึงพอดีเลยช่วยยืนยันให้ ชิฟท์เวลมีรอยช่างอาสาจะซ่อมให้แต่ชิฟท์เวลบอกรอยเป็นความทรงจำที่มีค่าแบบเดียวกับที่เมเทอร์เคยพูดเพราะไม่อยากซ่อมรอยที่เกิดขึ้นพร้อมความทรงจำดีๆที่มีกับแมคควีน แมคควีนสงสัยว่าทำไมรถถูกยิงรังสีแล้วไม่ระเบิด ช่างที่เป็นเจ้าของปั๊มยอมรับว่าแอบเปลี่ยนน้ำมัน สายลับฟินกับ ฟิชท์เวล ชวนเมเทอร์ไปเป็นสายลับแต่เมเทอร์ปฏิเสธ เมเทอร์ขอเครื่องเทอร์โบเป็นการตอบแทนบึ่งไปแข่งในสนามสามารถแซงฟรานเชสโกได้ สุดท้ายเมเทอร์แข่งกับแมคควีนเข้าเส้นชัย
