Ahora hay más personajes los cuales algunos serán nuevos y otros aparecerán regularmente como cameos:
Competidores
- El Rayo McQueen: Esta vez correrá en el Grand Prix Mundial por una nueva Copa. Ha ganado tres Copas Pistón Hudson Hornet (nuevo nombre de la Copa Pistón para homenajear a Doc Hudson, quien no aparece), y esta es su patrocinadora. Se meterá en un lío junto a Mate en el mundo del espionaje. Ahora está equipado con luces y un nuevo diseño refrescado, su numero es el 95.
- Francesco Bernoulli: Coche de Fórmula Racing (parodia de Fórmula 1), quien es el principal rival de McQueen en la carrera, aunque al final es un rival amistoso para él. Gana la primera carrera pero queda de segundo en la segunda, al ser derrotado por McQueen. Posiblemente sea un auto de la Fórmula A1GP por su diseño y colores, su numero es el 1.
- Shu Todoroki: Es un coche de carreras japonés, campeón del Circuito de Suzuka, puede ser un Nissan Prototipo de la JGTC, su número es el 7.
- Carla Veloso: Es la única corredora en el Grand Prix Mundial. Es originaria de Brasil. Llegó para ganar y representar a su país. Lleva el número 8.
- Raoul CaRoule: Es un competidor francés especialista en Rally, procedente de la GRC (Parodia del WRC) es un Citroën C4 WRC, su número es el 6.
- Max Schnell: Es un competidor alemán procedente de una categoría de circuitos parecida al DTM, pudiendo ser un Audi RS4, su número es el 4.
- Rip Clutchgoneski: Es un coche de Formula Racing de Nueva Rarendia, un nuevo país que busca impulsar a los jóvenes automovilistas deportivos, su número es el 10. Está inspirado en el Caparo T1
- Jeff Gorvette: Es un competidor americano amigo de McQueen, es un Chevrolet Corvette C5R. Su nombre es en homenaje al piloto estadounidense de NASCAR Jeff Gordon, su número es el 24, y su voz en inglés es del mismo Jeff Gordon.
- Nigel Gearsley: Es un competidor inglés. Su nombre de pila es en homenaje al piloto de Fórmula 1 Nigel Mansell. Es uno de los corredores victimados por Grem y Acer en Italia. Es un Aston Martin DBR9, su número es el 9.Pudiera ser referencia a la clase de locomotoras de vapor mas rapidas de la historia con diseño aerodinammico, la serie A4, de la cuales una lleva el nombre de Sir Nigel Gresley.
- Lewis Hamilton: Se interpreta a sí mismo. Es un piloto inglés representado por un McLaren MP4-12C , su número es el 2.
- Miguel Camino: es un competidor español de tipo Grand Turismo, puede ser un TVR, su número es el 5.
Espías
- "Mate": Esta vez, será el jefe de mecánicos de Rayo McQueen. Al hacerle perder una carrera a Rayo por estar concentrado en Holley Shiftwell, es regañado por McQueen y se aleja de él. Por error se mete en un lío y termina involucrado en un caso de espionaje internacional, ayudando a Holley Shiftwell y Finn McMissile a derrotar al Profesor Z y a las tartanas. Pudo resolver el caso y gracias a ello, se convirtió en un héroe, mientras McQueen creía que ya estaba en Radiador Springs. Al final es condecorado por la Reina Isabel II. Se enamora de Holley Shiftwell y se hacen pareja.
- Finn McMissile: Un superespía británico, su misión es derrotar al Profesor Z, y para eso necesitará la ayuda de Mate, quien por error cree que es un espía, al llevar un chip que no debía llevar él. Esta inspirado en un Aston Martin DB5 en homenaje al auto que usó James Bond y en un volkswagen karmann ghia que es el mas parecido y utiliza una clave mencionando al karmann.
- Holley Shiftwell: Es espía recién graduada de la academia, y fue asignada como compañera de Finn McMissile para su primera misión. Mate se enamora de ella, y después de ser compañeros de misión, se vuelven novios, aunque se tuvo que ir con McMissile. Probablemente puede ser un Sport Prototipo de la American Series, aunque tiene un parecido al TVR Tuscan por su color violeta.
- Rod "Torque" Redline: un agente secreto norteamericano, obtuvo información importante sobre la conspiración para sabotear el Grand Prix Mundial. Planea reunirse con sus colegas británicos para informarles, pero al verse perseguido por los secuaces del Profesor Z, debe dejar su misión en manos de Mate. Su diseño es una mezcla visual entre el Ford Mustang y el Dodge Challenger.
- Leland Turbo: es un coche que ayuda a Finn McMissille hasta quedar como un cubo tras haberlo puesto en una tritudaora. Su modelo esta basado en el Jaguar E-Type.
Equipo de pits De McQueen y aliados de este mismo
- Luigi: Está con McQueen en el Grand Prix Mundial, junto a Guido son sus pits. es un Fiat 500.
- Guido: Está con McQueen en el Mundial Grand Prix. Es un montacargas.
- Sarge: Acompaña a McQueen en los Pits, y es su segundo jefe de mecánicos es un Willys Jeep Militar.
- Filmore: Se encarga del combustible de McQueen en la carrera. Se convierte en otro héroe al cambiar el Allinol, combustible oficial de la carrera, por su combustible orgánico. Es una Volkswagen Combi tipo 2
- Ramón: No acompañará a McQueen en su viaje, pero le hará sus detalles de pintura. Toma el puesto de Hudson Hornet en todas sus actividades de Radiador Spring, al haber fallecido. Es un Chevrolet Impala.
- Sally: Desde Radiador Springs, verá como correrá su novio, El Rayo McQueen, pero junto con los otros, llegan a la última carrera para ayudar y apoyar a McQueen y Mate. Se trata de un Porsche 911 Turbo S.
- Sheriff: Despedirá a McQueen y le deseará suerte para las carreras. Se quedará con Sally y algunos más. Mas tarde, él y los demás, viajan a Londres y ayuda a que el Profesor Z no escape. Probablemente es un Mercury de 1950.
Villanos
- Profesor Zundapp: Villano que desea sacar el nuevo combustible ecológico llamado Allinol, junto con los autos llamados tartanas por ser malos, quienes también son villanos mafiosos. Con tal de esto, hace explotar a los autos en el Grand Prix Mundial, pero al oponerse McQueen, no lo logra, gracias a Fillmore. El coche es un Zündapp Janus de ahí su apodo, modelo fabricado por la marca Zundapp entre 1957 y 1958.
- Sir Miles Axelrod: Es el coche que intentó dar la vuelta al mundo sin GPS. Supuestamente se hizo eléctrico pero era una pantalla para ocultar sus verdaderas intenciones. Es un Land Rover Discovery.
- Acer: Un coche que ayuda al Profesor Z, usando la cámara del Grand Prix Mundial para quemar a otros coches. Es un AMC Pacer.
- Grem: Un coche que ayuda al Profesor Z, usando la cámara del Grand Prix Mundial para quemar a otros coches. Es unn AMC Gremlin
- Tony Trihull: Es un buque de combate modelado siguiendo las líneas del USS Independence (LCS-2)
Otros
- Tio Topolino y Mama Topolino: son los tíos de Luigi. Cuando McQueen y compañía visitan el hogar de Luigi y Guido, ellos organizan una pequeña fiesta de bienvenida. Al notar a McQueen decaído tras su pelea con Mate, le ayudan a sentirse mejor asegurándole que hasta los mejores amigos tienen sus desacuerdos.
- Brent Mustangburger (Gonzalo Bonadeo): uno de los personajes más reconocidos de las trasmisiones televisivas del automovilismo.
Cameos
Varios pilotos de Fórmula 1, al igual que en la entrega anterior, dan su voz a coches de personajes secundarios en la película:
- Fernando Alonso, como él mismo, dando su voz (doblaje en inglés y español), es un coche de carreras pintado con base a los colores del casco del piloto español para el doblaje español.
- Lewis Hamilton, como él mismo, dando su voz (doblaje en inglés y español), es un Mclaren Mp4-12c, y rival de Rayo McQueen.
- Vitaly Petrov, como él mismo, dando su voz, es un coche con los colores de la bandera rusa para el doblaje ruso.
- Sebastian Vettel, como él mismo, dando su voz a Sebastian Schnell (Versión alemana de Max Schnell).
- Juan Pablo Montoya participa en el doblaje latino de un rival de Rayo McQueen.
- Memo Rojas piloto mexicano, el participa dando voz a un auto con los colores y el sello de mexico, de un amigo de Rayo McQueen en el doblaje latino.
- Pedro Martinez de la Rosa, como guardaespaldas.
- Antonio Lobato , como locutor del Grand Prix Mundial.
- Carmen Jordá , como camarera
- Jacques Villeneuve, como él mismo
