Quá trình phát triển sản xuất Cars 3 bắt đầu từ cuối năm 2011 sau khi phát hành Cars 2 và đến tháng 3 năm 2014, quá trình tiền sản xuất bộ phim đã được tiến hành. Vào tháng 10 năm 2014, cựu giám đốc sáng tạo của Pixar, John Lasseter đã tiết lộ tại Liên hoan phim Quốc tế Tokyo rằng sẽ giới thiệu bộ phim The Castle of Cagliostro của Hayao Miyazaki, dưới dạng một chiếc Citroën 2CV cũ. Trước khi phát hành bộ phim, John Lasseter, đạo diễn của các bộ phim Cars trước đó, đã nói rằng bộ phim có một "câu chuyện rất xúc động", giống với nhịp điệu của bộ phim đầu tiên. Đồng biên kịch Kiel Murray, người cũng đồng sáng tác phần gốc Cars, nói về sự trở lại nguồn gốc của loạt phim, "Với những loạt phim này, bạn luôn muốn biết nó nói về ai. Phim đầu tiên là về McQueen, và phim thứ hai là giống như một đoạn lệch với câu chuyện của Mater. Chúng tôi muốn quay lại câu chuyện của McQueen. Khi chúng tôi xem điều gì sẽ xảy ra tiếp theo đối với anh ấy, chúng tôi tự hỏi điều đó sẽ như thế nào với tư cách là một vận động viên và cả những gì anh ấy đang phải đối mặt. Theo đạo diễn Brian Fee, nhóm sản xuất đã nghiên cứu rất nhiều, và trong khi họ "xem xét các vận động viên ở các môn thể thao khác", nhóm chủ yếu tập trung vào các tay đua NASCAR. Fee nói rằng họ "Thậm chí đã nói chuyện với một nhà phân tích tâm lý thể thao, người đã giải thích rằng nhiều người trong số những người lái xe này không thể tưởng tượng mình đang làm bất cứ điều gì khác", một ý tưởng đã gây được tiếng vang cho đội (?). Mike Rich nói rằng những tân binh tiếp quản môn thể thao này là một "câu chuyện bất tận trong thể thao", và so sánh McQueen với Wayne Gretzky và Misty May-Treanor cũng như nhiều người khác. Fee nói rằng "Làm cha mẹ trở thành nguồn lực chính của [anh ấy] để tìm hiểu và hiểu cảm xúc" trong cốt truyện của bộ phim. Scott Morse, giám sát câu chuyện của bộ phim, nói rằng anh ấy muốn làm nổi bật cốt lõi cảm xúc của bộ phim và các mối quan hệ của nhân vật, muốn bộ phim giống như một bộ phim thể thao đồng thời tập trung vào việc McQueen nhận ra "Mối quan hệ của họ có ý nghĩa như thế nào với Doc." Vào ngày 5 tháng 1 năm 2017, đã có thông báo rằng Armie Hammer và Cristela Alonzo sẽ lần lượt lồng tiếng cho Jackson Storm và Cruz Ramirez. Hai tháng sau, Nathan Fillion, Kerry Washington và Lea DeLaria tham gia dàn diễn viên. Quá trình sản xuất đã sử dụng một chế độ kết xuất mới, Hệ thống phụ tích hợp Rix (RIS), giúp thực hiện những cảnh như cuộc đua derby hủy diệt. Hệ thống này trước đây đã được sử dụng trên Đi tìm Dory của Pixar. Trong các bộ phim trước, người làm hoạt hình phải tạo hoạt ảnh trước khi kết xuất, nhưng RIS cho phép hoạt ảnh và kết xuất diễn ra đồng thời trong một quá trình gọi là "tô bóng phần cứng", giúp người làm hoạt hình dễ dàng nhìn thấy cảnh hoàn chỉnh trông như thế nào khi hoàn thành. Fee nói rằng hoạt hình của bộ phim là Cchủ nghĩa hiện thực theo hướng nghệ thuật" và tuyên bố rằng nó khiến các nhân vật và bối cảnh của bộ phim "Cảm thấy thực và sống động hơn bao giờ hết", trong khi Bill Cone, nhà thiết kế sản xuất của bộ phim, nói rằng "Thuật ngữ họ sử dụng là đáng tin cậy, là cơ sở cho mọi thứ Pixar làm.". Giám sát công nghệ toàn cầu Sudeep Rangaswamy nói rằng nhóm của ông đã sử dụng một quy trình tự động cho các cảnh quay trong phim, theo cách nói của ông là "Cho phép rất nhiều sự linh hoạt" và "Nó làm cho các cảnh quay trước đây không thể dựng được". Đạo diễn máy ảnh Jeremy Lasky và biên tập viên Jason Hudak đã nghiên cứu cảnh quay NASCAR cho các cảnh đua xe của phim.