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。
与此同时,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“太空桥”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。