50-åringen körde en Vauxhall Corsa när den träffades av en Jaguar S-type ungefär 10:20 på lördagen i Irvine.
Två män tros då ha övergett Jaguar innan de hamnade i en svart Mercedes driven av en tredje man.
50-åringen behandlas på Crosshouse Hospital, där han är i ett stabilt tillstånd.
Polisen har vädjat om vittnen till kraschen, som var på Long Drive nära Newmoor Roundabout, för att kontakta dem.
Det Insp Mick Carr sade: " En man behöver sjukhusvård efter en allvarlig trafikkollision. Vad vi förstår, efter kollisionen, överger två män Jaguar-bilen och går in i en svart Mercedes-bil, driven av en tredje man. Männen lämnar sedan platsen för trafikkollision på väg norrut längs B7081.
– Våra undersökningar pågår för att fastställa omständigheterna kring händelsen och vi har ännu inte spårat den svarta Mercedesen som lämnade området.
"Den som har information om den här kollisionen ombeds kontakta polisen. Om du bevittnade kraschen och ännu inte har kontaktat polisen, vänligen kontakta officerare med eventuell information du kan ha."
En man har blivit allvarligt skadad i en kollision i Ayrshire.