В гоночной аркаде по мотивам мультфильма игроки попадают в мир, населённый живыми автомобилями, и берут под управление начинающего гонщика Молнию Маккуина. Он стремится к известности и богатству, для чего должен выиграть крупный турнир «Пистон Кап». В игре представлены разные машины из оригинального мультфильма, а открытая местность служит площадкой для более чем 30 необычных испытаний и мини-игр.

В Cars: The Videogame можно ездить по небольшому Радиатор-Спрингс, искать задания и собирать бонусные очки. Их разрешается тратить на улучшение машины или изменение её внешности. Игроков ждут гонки на время и состязания с другими автомобилями, а также задания с особыми условиями, которые необходимо выполнить для победы и завершения испытания.

Одиночная сюжетная кампания развивается вместе с миссиями, отмеченными на карте как точки интереса. Уровни можно выбирать и проходить в любом порядке. По ходу игры встречаются десять персонажей: с ними можно поговорить и пригласить их в команду. Игроку также доступно управление каждым из героев, причём у автомобилей различаются характеристики и игровые механики.