1961年人類探測到月球上有外星人的痕跡，所以約翰・肯尼迪總統下令不惜一切代價趕在蘇聯人之前登陸月球。 　　1969年尼克松總統下令在阿波羅登入月球的時候秘密注意外星人行蹤，他們發現了汽車人在賽博坦星最後一戰時想脫離的汽車人飛船“方舟”以及巨大的機器人“御天敵”（Sentinel Prime）。 　　薩姆（Sam）大學畢業後和新女友卡莉（Carly）住在華盛頓，他拯救過兩次世界，所以有點適應不了普通人的生活，但他還是找了份工作，試圖讓自己安定下來。卡莉不瞭解薩姆的苦悶，她為一個藝術品和汽車收藏家迪蘭・古爾德（Dylan Gould）工作，後者由帕特里克・德姆西（Patrick Dempsey）飾演。與薩姆和卡莉住在　　Shockwave　　一起的還有小變形金剛“轉輪”（Wheelie）和它的同類小機器人。 　　與此同時，汽車人正與Lennox上尉一起在世界各地與人類的威脅作戰。根據俄華人的情報，地球人在切爾諾貝利核電站的原址遭遇了狂派的“震盪波”（Shockwave).擎天柱擊退震盪波，卻驚奇的發現震盪波留下的方舟的核心引擎部分。 　　霸天虎仍然留在地球上，其首領威震天（Megatron）在上一次大戰後現在很虛弱，但他仍在計劃著什麼。 　　擎天柱對人類向他隱瞞實情很生氣，尤其是對弗朗西斯・邁克道蒙（Frances McDormand）飾演的美國國家情報局局長夏洛特・米林（Charlott Mearing），原來多年前美國宇航員登陸月球就發現了墜毀的變形金剛汽車人“方舟”，但他們一直向世人和汽車人隱瞞。 　　擎天柱要求去月球一趟。在月球上，擎天柱一行人發現了“御天敵”，他是汽車人的前任領袖，也是擎天柱的導師。汽車人把御天敵和他身邊的5個柱狀物帶回了地球。 　　此時的薩姆正被他的新老闆（約翰・馬爾科維奇）折磨的焦頭爛額，接著他被肯・鄭（Ken Jeong）飾演的角色認出是變形金剛的朋友，肯・鄭扮演的這個人試圖告訴他霸天虎的陰謀，顯然他也被迫參與了那個計劃。但還當Sam還在為他給的那些紙片犯迷糊的時候，鐳射鳥（Laserbeak）就結果了肯。 　　薩姆趕緊跑去告訴汽車人，但被攔在秘密基地外面，儘管米林局長很不情願，但架不住別人的堅持，只好讓薩姆留下來旁觀事態進展。 　　把御天敵和五個柱狀物件帶回地球后，擎天柱用能源寶重啟了御天敵，之後又放回自己體內。原來，那些柱狀物件是“太空橋”的一部分，共有上百個，現在都不知散落何處。擎天柱自願交出能源寶退位給御天敵，但是御天敵卻推辭了，並說現在他不熟悉情況，已經不再是領袖了。 　　米林局長開始趕薩姆回家，薩姆靠自己分析推導，得出霸天虎正在利用人類做什麼，但沒人聽他的分析，於是他決定找退休探員西蒙斯（約翰・特特羅）幫他調查。卡莉很不高興，她抱怨薩姆又想拯救世界了。兩人吵了一場，分手了。卡莉一人去了老闆迪蘭的聚會。 　　西蒙斯把過去的經歷寫成了一本暢銷書，現在過得很愜意，但他還是很快答應了薩姆的請求。兩人先去找當年登月的宇航員，他們深信這些人一定知道內情，但都被政府下達了封嘴令。 　　老宇航員們向薩姆他們展示了一些當年拍攝的月球背面照片，原來那裡有許許多多的柱狀物件。薩姆立刻意識到霸天虎一直都知道“太空橋”的事情，他們是在利用擎天柱啟用御天敵，因為御天敵是拼接太空橋的關鍵，他們得保護好他。 　　果然御天敵叛變了，他殺死了鐵皮（Ironhide）和雙胞胎機器人，用腐蝕性酸槍把他們熔化了，並帶著柱狀物件跑了。 　　原來，御天敵認為汽車人永遠不可能取勝，所以他需要用空間橋來拯救賽博坦星。所以他不惜背叛汽車人，而和威震天合夥。他們喚醒了早就埋伏在月球上的秘密霸天虎軍隊，把他們透過“太空橋”傳送到地球。擎天柱追上御天敵，怒問為何昔日追求自由和平的導師會變成如此，御天敵沒有殺擎天柱，只是說日後再相見。 　　看到曾經身為汽車人的御天敵的背叛，人類放棄了，把怨氣都撒到了汽車人頭上，讓他們立刻離開地球。汽車人無奈只好準備登上飛船。 　　這時薩姆前去迪蘭家的聚會想與卡莉和好，誰曾想，在幫助霸天虎的人類中，迪蘭是最大的頭頭。他利用聲波（soundwave)綁架了卡莉，並逼薩姆做間諜，提供汽車人的情報，看看他們是否在計劃反攻，他還派了一個霸天虎機器人跟在薩姆身邊，記錄薩姆及其周圍人的言行，如果薩姆違抗，卡莉就會死。 　　薩姆去找了擎天柱和汽車人，問他們有何打算，擎天柱說他們沒有打算，只會默默地離開，他們就這麼走了，飛船在半空中被紅蜘蛛打落，汽車人似乎已經全軍覆沒。 　　薩姆只好向轉行到基地工作的前軍官Epps求助，求他幫自己追蹤迪蘭、救出卡莉。經過一番跟蹤，他們發現迪蘭他們在芝加哥，於是薩姆還有Epps以及後者的軍中戰友一起也去了芝加哥。 　　芝加哥此時已經變成霸天虎的樂園，好在大部分的人類倖存者已經離開。正當Epps、薩姆他們認為沒有希望的時候，汽車人突然出現！原來一切都是計劃好的，他們在飛船爆炸前已經偷偷逃出了飛船。 　　這時的御天敵和威震天正計劃再次開啟太空橋，這次，他們要把整個賽伯坦星球都傳送到地球，讓倖存的人類作他們的奴隸。 　　汽車人救出了卡莉，但也犧牲了千斤頂。他們想從遠處摧毀太空橋，但是失敗了。震盪波讓芝加哥高樓倒塌、一片狼藉。 　　這時御天敵突然與威震天反目，說要不是為了故鄉，這輩子別想威震天和他合作，並把威震天打下高樓，虛弱的威震天倒下起不來了。 　　紅蜘蛛去抓薩姆想殺死他，薩姆用千斤頂給他的鉤射槍射中了紅蜘蛛的眼睛，然後又把一枚炸彈固定在紅蜘蛛的胸口，紅蜘蛛死不瞑目。 　　擎天柱與震盪波激戰，結束了其生命，之後擎天柱用震盪波的鐳射武器摧毀了空間橋的燈標。薩姆這時也找到了迪蘭，與他扭打在一起。最後迪蘭被空間橋燈標碎片終結了生命。 　　擎天柱單挑與御天敵，這時賽伯坦星球已經開始傳送過來了，擎天柱的左劍右斧無法破開御天敵的防禦，並且被其打斷右臂。危機時刻卡莉跑到渾身鐵鏽威震天的面前，三言兩語來激將威震天，說即使是這個計劃成功了，世界也不是它當領導。威震天大怒不顧自己滿身鐵鏽，衝出去偷襲御天敵得手。並且得意洋洋的對擎天柱說，如果沒有它在，擎天柱也就沒有了存在價值。擎天柱臉一沉，“We"ll see",單臂砍死了早就油盡燈 　　枯的威震天。奄奄一息的御天敵說它只是為了故鄉，並且不想讓汽車人成為地球人的奴隸而戰，希望擎天柱能明白它是在追求自由，請擎天柱原諒他的背叛。擎天柱說道，你沒有背叛我，你只是背叛了你自己。兩槍結束了御天敵的生命。 　　在廢墟上，薩姆和卡莉互相表白，一旁的大黃蜂做了墊片戒指非要讓薩姆求婚。

1961年人類探測到月球上有外星人的痕跡，所以約翰·肯尼迪總統下令不惜一切代價趕在蘇聯人之前登陸月球。 1969年尼克松總統下令在阿波羅登入月球的時候秘密注意外星人行蹤，他們發現了汽車人在賽博坦星最後一戰時想脫離的汽車人飛船“方舟”以及巨...