赢得东大陆比云山决赛冠军后，超星车队来到下一个奖杯所在的南大陆，并在修修镇居民们的邀请下，代表小镇出战超竞速大奖赛。猪猪侠和星航以赛代练，一边学习南大陆的赛车特点一边晋级，可猪猪侠却因长期兼顾赛车和英雄任务而积劳成疾，不得不暂时离队。在猪猪侠的鼓励下，星航与新搭档芸芸尽力配合，重振车队击败南大陆最强的飚速三杰中的第一个强敌——风鹤，闯入更高级别的赛事。然而，更快更强的对手，正在前方等着超星车队的挑战。
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超级坏蛋格鲁（史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音）在听说埃及金字塔被盗的新闻后不满市面上新贼辈出，决定在纳法利欧博士（拉塞尔·布兰德 Russell Brand 配音）的帮助下建造火箭升空盗取月亮。在向坏蛋银行贷款的过程中，格鲁盗取的收缩射线枪被新贼维克托（杰森·席格尔 Jason Segel 配音）抢走。为了夺回收缩射线枪，格鲁决定领养三位孤儿——玛戈（米兰达·卡斯格拉夫 Miranda Cosgrove 配音）、伊迪丝（达娜·盖伊 Dana Gaier 配音）和阿格蕾丝（埃尔希·费舍 Elsie Fisher 配音），利用她们进入维克托的城堡兜售饼干的机会实施偷盗，计划成功后再偷偷处理掉三个小孩。然而在平凡的日常相处中，格鲁却发现自己越来越离不开这三个小鬼，但这样的感情用事却将严重影响周密的盗月计划……
汽车世界中，一年一度的活塞杯再次拉开序幕。红色跑车“闪电”麦坤和“冠军”、“路霸”是冠军最有力的竞争者。作为新人，麦坤具有极高的天赋，同时也是一个目空一切的家伙。经过紧张激烈的对抗，这三辆车同时冲过终点线。由于无法判定最终优胜者，组委会决定一个月后在加州洛杉矶召开一次只有这三辆车参加的殊死战，只有最后的胜者才能捧得活塞杯。
