Basado en la película animada por computadora de Pixar, Cars 3 sigue las hazañas de los personajes del automóvil Lightning McQueen y Mater mientras entrenan en una instalación secreta conocida como CHROME, abreviado para el Cuartel General de Mando para Recon Operations y Motorized Espionage. Están unidos por Finn McMissile, Holley Shiftwell, y otros como ellos intentan convertirse en el coche-equivalente de espías. A diferencia del juego original de Cars, que ofrecía una versión mundial abierta de Radiator Springs con misiones para completar, Cars 2 enfatiza la competencia basada en armas en 15 pistas.

Elija entre más de 20 vehículos, cada uno clasificado individualmente en velocidad y potencia, antes de equiparlos con armamentos de espionaje tales como ametralladoras y manchas de aceite. Completa misiones de entrenamiento y rivales de combate en seis áreas de todo el mundo, desde Londres a Tokio. Cars 3 para el 3DS ofrece soporte inalámbrico local para hasta cuatro jugadores, con cada participante que requiere su propia versión del juego. También se admite la función StreetPass, que permite a los propietarios desbloquear contenido adicional al comunicarse con los propietarios de 3DS cercanos.