1961年人类探测到月球上有外星人的痕迹，所以约翰肯尼迪总统下令不惜一切代价赶在苏联人之前登陆月球。
1969年尼克松总统下令在阿波罗登录月球的时候秘密注意外星人行踪，他们发现了汽车人在赛博坦星最后一战时想脱离的汽车人飞船“方舟”以及巨大的机器人“御天敌”（Sentinel Prime）。
萨姆（Sam）大学毕业后和新女友卡莉（Carly）住在华盛顿，他拯救过两次世界，所以有点适应不了普通人的生活，但他还是找了份工作，试图让自己安定下来。卡莉不了解萨姆的苦闷，她为一个艺术品和汽车收藏家迪兰·古尔德（Dylan Gould）工作，后者由帕特里克·德姆西（Patrick Dempsey）饰演。与萨姆和卡莉住在一起的还有小变形金刚“转轮”（Wheelie）和它的同类小机器人。
此同时，汽车人正与Lennox上尉一起在世界各地与人类的威胁作战。根据俄国人的情报，地球人在切尔诺贝利核电站的原址遭遇了狂派的“震荡波”（Shockwave).擎天柱击退震荡波，却惊奇的发现震荡波留下的方舟的核心引擎部分。
霸天虎仍然留在地球上，其首领威震天（Megatron）在上一次大战后现在很虚弱，但他仍在计划着什么。
擎天柱对人类向他隐瞒实情很生气，尤其是对弗朗西斯·迈克道蒙（Frances McDormand）饰演的美国国家情报局局长夏洛特·米林（Charlott Mearing），原来多年前美国宇航员登陆月球就发现了坠毁的变形金刚汽车人“方舟”，但他们一直向世人和汽车人隐瞒。
擎天柱要求去月球一趟。在月球上，擎天柱一行人发现了“御天敌”，他是汽车人的前任领袖，也是擎天柱的导师。汽车人把御天敌和他身边的5个柱状物带回了地球。
此时的萨姆正被他的新老板（约翰·马尔科维奇）折磨的焦头烂额，接着他被肯·郑（Ken Jeong）饰演的角色认出是变形金刚的朋友，肯·郑扮演的这个人试图告诉他霸天虎的阴谋，显然他也被迫参与了那个计划。但还当Sam还在为他给的那些纸片犯迷糊的时候，激光鸟（Laserbeak）就结果了肯。
萨姆赶紧跑去告诉汽车人，但被拦在秘密基地外面，尽管米林局长很不情愿，但架不住别人的坚持，只好让萨姆留下来旁观事态进展。
把御天敌和五个柱状物件带回地球后，擎天柱用能源宝重启了御天敌，之后又放回自己体内。原来，那些柱状物件是“空间桥”的一部分，共有上百个，现在都不知散落何处。擎天柱自愿交出能源宝退位给御天敌，但是御天敌却推辞了，并说现在他不熟悉情况，已经不再是领袖了。
米林局长开始赶萨姆回家，萨姆靠自己分析推导，得出霸天虎正在利用人类做什么，但没人听他的分析，于是他决定找退休探员西蒙斯（约翰·特特罗）帮他调查。卡莉很不高兴，她抱怨萨姆又想拯救世界了。两人吵了一场，分手了。卡莉一人去了老板迪兰的聚会。
西蒙斯把过去的经历写成了一本畅销书，现在过得很惬意，但他还是很快答应了萨姆的请求。两人先去找当年登月的宇航员，他们深信这些人一定知道内情，但都被政府下达了封嘴令。
老宇航员们向萨姆他们展示了一些当年拍摄的月球背面照片，原来那里有许许多多的柱状物件。萨姆立刻意识到霸天虎一直都知道“空间桥”的事情，他们是在利用擎天柱激活御天敌，因为御天敌是拼接空间桥的关键，他们得保护好他。
果然御天敌叛变了，他杀死了铁皮（Ironhide）和双胞胎机器人，用腐蚀性酸枪把他们熔化了，并带着柱状物件跑了
原来，御天敌认为汽车人永远不可能取胜，所以他需要用空间桥来拯救赛博坦星。所以他不惜背叛汽车人，而和威震天合伙。他们唤醒了早就埋伏在月球上的秘密霸天虎军队，把他们通过“空间桥”传送到地球。擎天柱追上御天敌，怒问为何昔日追求自由和平的导师会变成如此，御天敌没有杀擎天柱，只是说日后再相见。
看到曾经身为汽车人的御天敌的背叛，人类放弃了，把怨气都撒到了汽车人头上，让他们立刻离开地球。汽车人无奈只好准备登上飞船。
这萨姆前去迪兰家的聚会想与卡莉和好，谁曾想，在帮助霸天虎的人类中，迪兰是最大的头头。他利用声波（soundwave)绑架了卡莉，并逼萨姆做间谍，提供汽车人的情报，看看他们是否在计划反攻，他还派了一个霸天虎机器人跟在萨姆身边，记录萨姆及其周围人的言行，如果萨姆违抗，卡莉就会死。
萨姆去找了擎天柱和汽车人，问他们有何打算，擎天柱说他们没有打算，只会默默地离开，他们就这么走了，飞船在半空中被红蜘蛛打落，汽车人似乎已经全军覆没。
萨姆只好向转行到基地工作的前军官Epps求助，求他帮自己追踪迪兰、救出卡莉。经过一番跟踪，他们发现迪兰他们在芝加哥，于是萨姆还有Epps以及后者的军中战友一起也去了芝加哥。
芝加哥此时已经变成霸天虎的乐园，好在大部分的人类幸存者已经离开。正当Epps、萨姆他们认为没有希望的时候，汽车人突然出现！原来一切都是计划好的，他们在飞船爆炸前已经偷偷逃出了飞船。
这时的御天敌和威震天正计划再次开启空间桥，这次，他们要把整个赛伯坦星球都传送到地球，让幸存的人类作他们的奴隶。
汽车人救出了卡莉，但也牺牲了千斤顶。他们想从远处摧毁空间桥，但是失败了。震荡波让芝加哥高楼倒塌、一片狼藉。
这时御天敌突然与威震天反目，说要不是为了故乡，这辈子别想威震天和他合作，并把威震天打下高楼，虚弱的威震天倒下起不来了。
红蜘蛛去抓萨姆想杀死他，萨姆用千斤顶给他的钩射枪射中了红蜘蛛的眼睛，然后又把一枚炸弹固定在红蜘蛛的胸口，红蜘蛛死不瞑目。
擎天柱与震荡波激战，结束了其生命，之后擎天柱用震荡波的激光武器摧毁了空间桥的灯标。萨姆这时也找到了迪兰，与他扭打在一起。最后迪兰被空间桥灯标碎片终结了生命。
擎天柱单挑与御天敌，这时赛伯坦星球已经开始传送过来了，擎天柱的左剑右斧无法破开御天敌的防御，并且被其打断右臂。危机时刻卡莉跑到浑身铁锈威震天的面前，三言两语来激将威震天，说即使是这个计划成功了，世界也不是它当领导。威震天大怒不顾自己满身铁锈，冲出去偷袭御天敌得手。并且得意洋洋的对擎天柱说，如果没有它在，擎天柱也就没有了存在价值。擎天柱脸一沉，“We'll see",单臂砍死了早就油尽灯枯的威震天。
奄奄一息的御天敌说它只是为了故乡，并且不想让汽车人成为地球人的奴隶而战，希望擎天柱能明白它是在追求自由，请擎天柱原谅他的背叛。擎天柱说道，你没有背叛我，你只是背叛了你自己。两枪结束了御天敌的生命。
在废墟上，萨姆和卡莉互相表白，一旁的大黄蜂做了垫片戒指非要让萨姆求婚。
