山姆大學畢業後和新女友卡莉住在華盛頓，他曾拯救過兩次世界，所以有點適應不了正常人的生活，但他還是找了份工作，試著讓自己安定下來。但卡莉並不了解山姆的苦悶，她為壹個藝術品和汽車收藏家迪蘭·古爾德工作，後者由帕特裏克·德姆西飾演。與山姆和卡莉住在壹起的還有小變形金剛“轉輪”和它的同類小機器人“Brain”。 與此同時，汽車人正與蘭諾克斯少校壹起在世界各地與人類的敵人——霸天虎作戰。在壹次與鉆探獸的激戰後，擎天柱發現壹個屬於壹艘他們認為早已失蹤的汽車人飛船的柱狀物件。霸天虎仍然留在地球上，其首領威震天在上壹次大戰後現在很虛弱，但他仍在計劃著什麽。擎天柱對人類向他隱瞞實情很生氣，尤其是對美國國家情報局局長夏洛特·米櫻感到憤怒，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飛船——“方舟號”（Ark）裏的能量柱，但他們壹直向世人和汽車人隱瞞。
擎天柱要求去月球壹趟，他們很快就達到了那裏，但沒有察覺到有霸天虎尾隨。在月球上，擎天柱壹行人發現了“禦天敵”（Sentinal Prime），他是汽車人的前任領袖，也是擎天柱的導師。汽車人把禦天敵和他身邊的5個能量柱帶回了地球。
此時的山姆正被他的新老板折磨的焦頭爛額，接著他被Jerry.wang認出是變形金剛的朋友，Jerry.wang試圖告訴他霸天虎的陰謀，顯然他也被迫參與了那個計劃。不壹會兒，激光鳥就結果了他。山姆趕緊跑去告訴汽車人，但被攔在秘密基地外面，盡管米櫻局長很不情願，但架不住別人的堅持，只好讓山姆留下來旁觀事態進展。 把禦天敵和五個能量柱帶回地球後，擎天柱用領導模塊（The Matrix）重啟了禦天敵，之後又放回自己體內。原來，那些能量柱是“空間橋”的壹部分，***有上百個，現在都不知散落何處。米櫻局長開始趕山姆回家，山姆靠自己分析推導，得出霸天虎正在利用人類做什麽，但沒人聽他的分析，於是他決定找退休探員西蒙（約翰·特特羅）幫他調查。卡莉很不高興，她抱怨山姆又想拯救世界了。兩人吵了壹場，分手了。卡莉壹人去了老板迪蘭的聚會。西蒙把過去的經歷寫成了壹本暢銷書，現在過得很愜意，但他還是很快答應了山姆的請求。兩人先去找當年登月的宇航員，他們深信這些人壹定知道內情，但都被政府下達了封嘴令。老宇航員們向山姆他們展示了壹些當年拍攝的月球背面照片，原來那裏有許許多多的能量柱。山姆立刻意識到霸天虎壹直都知道“空間橋”的事情，他們是在利用擎天柱激活禦天敵，因為禦天敵是拼接空間橋的關鍵，他們得保護好他。中間，狂派的恐懼戰隊跟博派進行了追逐戰，鐵皮和橫炮成功解決他們。可禦天敵叛變了，他殺死了鐵皮，用腐蝕性酸槍把他熔化了，並帶著能量柱跑了。原來，禦天敵認為汽車人永遠不可能取勝，所以他和威震天結盟，認為這樣可以迅速實現和平。當初他開著飛船是要前往地球與威震天會面，但兩人都遭到狡猾的紅蜘蛛的伏擊，壹個撞到了月球，另壹個栽在了北極。 現在禦天敵與威震天又可以開始他們的宏圖大計了，他們喚醒了埋伏在月球上的秘密霸天虎軍隊，把他們通過“空間橋”傳送到地球。看到如此眾多的霸天虎，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。這時山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。他綁架了卡莉，並逼山姆做間諜，提供汽車人的情報，看看他們是否在計劃反攻，他還派了壹個霸天虎機器人跟在山姆身邊，記錄山姆及其周圍人的言行，如果山姆違抗，卡莉就會死。山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，他們就這麽走了，飛船在半空中被紅蜘蛛打落，汽車人似乎已經全軍覆沒。山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。經過壹番跟蹤，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壹起也去了芝加哥。 芝加哥此時已經變成霸天虎的樂園，好在大部分的人類幸存者已經離開。正當Epps、山姆他們認為沒有希望的時候，汽車人突然出現！原來壹切都是計劃好的，他們在飛船爆炸前已經偷偷逃出了飛船。這時的禦天敵和威震天正計劃再次開啟空間橋，這次，他們要把整個賽伯坦星球都傳送到地球，讓幸存的人類作他們的奴隸。汽車人救出了卡莉，但也犧牲了Wheeljack和IronHide這兩位成員。他們想從遠處摧毀空間橋，但是失敗了。震蕩波指揮它的寵物——鉆探獸，讓芝加哥高樓倒塌，壹片狼藉。這時禦天敵突然與威震天反目，說他不再為他工作，並把威震天推下高樓，虛弱的威震天倒下起不來了。 紅蜘蛛抓到山姆想殺死他，山姆用鉤射槍射中了紅蜘蛛的眼睛，然後又把壹枚炸彈固定在紅蜘蛛的另壹只眼，紅蜘蛛遭受重創死亡。擎天柱與震蕩波激戰，結束了其生命，之後擎天柱用震蕩波的激光武器摧毀了空間橋的主控柱。山姆這時也找到了迪蘭，與他扭打在壹起。最後迪蘭被空間橋主控柱的電流終結了生命。擎天柱開始與禦天敵對打，這時賽伯坦星球已經開始傳送過來了，擎天柱根本不是禦天敵的對手。卡莉跑到威震天跟前，用激將法促使威震天幫助擎天柱和禦天敵對打。禦天敵受傷倒下,這時威震天激怒了擎天柱,結果擎天柱先出手殺掉了威震天,然後用威震天的槍殺了禦天敵。在廢墟上，山姆和卡莉互相表白，壹旁的大黃蜂做了齒輪戒指非要讓山姆求婚。 擎天柱的聲音響起，他說，任何戰爭，風暴之中總會有停息。有壹天，我們會失去信心；有壹天，我們的戰友會背叛我們……但我們永遠不會拋棄這個星球和他的人民。我是擎天柱，我向全宇宙發去這條訊息——我們在這，我們到家了。