Cars 2 é um jogo de corrida em terceira pessoa onde os jogadores podem escolher 35 personagens diferentes (Sendo 10 deles já disponíveis, 13 desbloqueáveis e 12 baixáveis) para treinar como um espião de classe mundial. Como parte do treinamento, os jogadores participam em corridas normais, corridas com dispositivos e missões utilizando aparelhos de alta tecnologia. Baseado no filme de animação CGI da Disney-Pixar, o jogo segue as aventuras de personagens como Relâmpago McQueen e Mate, treinando em uma instalação secreta conhecida como CHROME, abreviatura para Centro Hábil de Reconhecimento e Operações Motorizadas de Espionagem. Formada por vários agentes, entre eles Finn McMíssil e Holley Caixadibrita, na tentativa de se tornarem grandes carros-espiões.