Depois de acordar de um sonho, McQueen decide que está pronto para correr na Copa Pistão. Mack diz que primeiro ele deve treinar mais um pouco. Seus amigos ajudam-o a treinar mostrando novas truques e habilidades. Enquanto ele se encontra com seus amigos e visitantes, McQueen participa de várias corridas e mini-jogos. Antes da sua quarta grande corrida na Pista Internacional de Smasherville, Chick Hicks contrata Boost, DJ, Wingo e Snot Rod para roubarem todos os equipamentos do McQueen, assim ele não teria como correr. Depois de vencer o Chick, McQueen desafia ele para 3 corridas em Radiator Springs, Tailfin Pass e Ornament Valley. Depois de vencer o Chick 4-0, ele o desafia para a quinta e última corrida da Copa Pistão na Pista Internacional de Los Angeles. Em que McQueen acaba vencendo.

Existem 5 capítulos da história, cada um com 4-8 eventos. Existe 3 tipos de eventos – Corridas de Estrada, Mini-jogos e Corridas da Copa Pistão. Em Corridas de Estrada, os Jogadores correm contra 4 adversários e 3 voltas. Para completar os Mini-jogos, os Jogadores terão um objetivo, normalmente coletando algum objeto. Existem 5 Corridas da Copa Pistão, uma no final de cada capítulo. Os Jogadores correm contra 19 adversários e 12 voltas. Na 6a volta, os Jogadores terão que fazer um Pit-Stop para ganhar posições na corrida. Quando os Jogadores completam o mini-jogo, a corrida continua normalmente.

O Modo Arcade libera os Jogadores jogarem com todos os Personagens Jogáveis em todas as pistas. Diferente do Modo História, os adversários de cada corrida são aleatórios. Na versão de Xbox 360 e Wii existem 3 eventos extras: Ghosting Mater, Mater’s Countdown Clean-Up e Mater’s Speedy Circuit.

2 Jogadores podem jogar juntos com qualquer personagem que eles desbloquearam (exceto o McQueen Monstro e o Conde Espatula), mas o número de jogadores é limitado. Também tem o Desafio do Pit-Stop do Modo História que é só jogável no Modo VS.

O Modo Opções é onde os Jogadores podem mudar várias configurações do jogo, como os Controles, Perfil de Data e Tipos de Áudio. O Modo ”Trapaça” libera os Jogadores a digitarem Códigos de Trapaça para ter acesso a vários recursos do jogo facilmente.

Na Seleção dos Personagens, os Jogadores podem gastar seus Pontos Bônus em Carros Novos e Pinturas. Os Carros Compráveis por Pontos Bônus são: Doc Hudson, Ramone, Flo, Xerife, Chick Hicks, Wingo, Strip Weathers e Conde Espatula.