L'idée d'un film mettant en scène des voitures est née en 1993, lorsque John Lasseter en discutait en covoiturage avec le character designer Bob Pauley pendant la production de Toy Story.

Le scénariste Jorgen Klubien a d'abord développé un projet intitulé The Yellow Car, inspiré du conte du Vilain Petit Canard, sur une voiture électrique vivant dans un monde de voitures à essence.

L'inspiration principale du film vient d'un road trip que John Lasseter a effectué à travers les États-Unis avec sa femme et ses cinq fils en 2000, ainsi que du documentaire Divided Highways sur l'impact des autoroutes sur les petites villes.

Le film s'appelait à l'origine Route 66, mais ce titre a été abandonné pour éviter la confusion avec la série télévisée du même nom des années 1960, et le titre Cars a été retenu.

Le numéro de course de Flash McQueen devait à l'origine être le 57, en référence à l'année de naissance de John Lasseter (1957), mais il a finalement été changé pour le 95, en référence à 1995, année de sortie de Toy Story.

Pour préparer le film, l'historien de la Route 66 Michael Wallis a guidé onze animateurs de Pixar lors de deux road trips à travers la mythique route, à bord de Cadillac blanches de location.

Pixar a ajouté une capacité de ray-tracing à son logiciel Renderman pour obtenir des reflets métalliques et une lumière plus réalistes sur les carrosseries des voitures, une première pour le studio.

Les animateurs ont mis au point un système de « ground-locking » intégré directement aux modèles 3D pour que les voitures restent parfaitement fixées à la route sans nécessiter de simulation supplémentaire.

Contrairement à la plupart des dessins animés de voitures anthropomorphes, les yeux des personnages ont été placés sur le pare-brise plutôt que dans les phares, un choix voulu dès le départ par John Lasseter pour éviter un effet trop reptilien.

Le film est dédié à Joe Ranft, coscénariste et voix de Red et Jerry Recycled Batteries, mort dans un accident de voiture pendant la production, un an avant la sortie du film.

Cars fut le dernier rôle non documentaire de Paul Newman avant sa retraite en 2007 et sa mort en 2008.

Le générique de fin propose des parodies automobiles de Toy Story, Monsters, Inc. et 1001 Pattes, avec les voix originales de Tom Hanks, Tim Allen, Billy Crystal, John Goodman, Dave Foley et John Ratzenberger reprenant leurs rôles.

Il a été relevé que l'intrigue de Cars présente de fortes similitudes avec le film Doc Hollywood (1991), certains ayant même évoqué un possible plagiat du scénario.

Les ordinateurs utilisés pour développer le film étaient quatre fois plus rapides que ceux employés pour Les Indestructibles et mille fois plus rapides que ceux utilisés pour Toy Story.