1969年，當阿波羅登月時，尼克松總統下令秘密關註外星人的行蹤。他們發現了汽車人“方舟”和汽車人在上壹次賽博坦戰役中想要離開的巨型機器人“禦天敵”。
大學畢業後，薩姆和他的新女友卡莉住在華盛頓。他拯救了世界兩次，所以無法適應普通人的生活，但還是找到了工作，努力安定下來。卡莉不理解薩姆的痛苦。她為藝術和汽車收藏家迪倫·古爾德工作，後者由帕特裏克·德姆西扮演。與山姆和卡莉生活在壹起的是小變形金剛“Wheelie”及其類似的小機器人。
與此同時，汽車人正與倫諾克斯船長壹起對抗全世界人類的威脅。根據俄羅斯情報，地球人在切爾諾貝利核電站原址遭遇了瘋狂的“沖擊波”。擎天柱擊退了沖擊波，卻意外發現了沖擊波留下的方舟核心引擎部分。
主要角色圖像(4張照片)
霸天虎還在地球上，它的首領威震天在上壹次世界大戰後已經衰弱，但他還在計劃著什麽。
擎天柱對人類向他隱瞞真相感到憤怒，尤其是弗蘭西斯·麥克多蒙德飾演的美國國家情報局局長夏洛特·米林。原來，美國宇航員在多年前登月時發現了墜毀的變形金剛“方舟”，但壹直對世人和汽車人隱瞞。
擎天柱要求去月球。在月球上，擎天柱壹行發現了“禦天敵”，他是汽車人的前領袖，也是擎天柱的導師。汽車人把禦天敵和他周圍的五根柱子帶回了地球。
此時，山姆正在被他的新老板(約翰·馬爾科維奇飾)折磨，然後他被肯·鄭扮演的角色認出是變形金剛的朋友。肯·鄭扮演的男人試圖告訴他霸天虎的陰謀，顯然他是被迫參與計劃的。但是當山姆還在對他給的紙片感到困惑的時候，激光鳥殺死了肯。
山姆急忙去告訴汽車人，卻被攔在秘密基地外。米林導演雖然不情願，但架不住別人的堅持，只好讓山姆留下來看事態發展。
把禦天敵和五個柱狀物體帶回地球後，擎天柱用能量寶重新啟動了禦天敵，然後把它放回了自己的身體。原來那些柱狀物體是“太空橋”的壹部分，有好幾百個，現在分散在各處。擎天柱主動把他的能量寶藏交給了禦天敵，但是禦天敵拒絕了，說他不熟悉情況，也不再是領袖了。
米林主任開始開車送薩姆回家。山姆自己分析推斷霸天虎在對人類做什麽，但是沒有人聽他的分析，於是他決定請退休特工西蒙斯(約翰·泰特羅飾)幫忙調查。卡莉很不開心。她抱怨說山姆又想拯救世界了。他們吵了壹架，分手了。卡莉獨自去了迪倫的派對。
西蒙斯把自己過去的經歷寫成了暢銷書，現在他很開心，但很快就答應了山姆的要求。這兩個人先去找當年登月的宇航員。他們確信這些人壹定知道內情，但都被政府封殺了。
老宇航員給薩姆和他們看了壹些那年在月球背面拍的照片。那裏有許多柱狀物體。山姆立刻意識到霸天虎壹直都知道太空橋。他們利用擎天柱來激活禦天敵，因為禦天敵是連接太空橋的關鍵，他們必須保護他。
果然，禦天敵叛變了。他殺死了鐵皮和雙胞胎機器人，用壹把腐蝕性的酸槍熔化了他們，然後帶著柱狀物體跑了。
原來禦天敵認為汽車人永遠不會贏，所以他需要壹座太空橋來拯救塞伯坦。所以他背叛了汽車人，和威震天合夥。他們喚醒了潛伏在月球上很久的秘密霸天虎軍隊，並通過“太空橋”把他們送到了地球。擎天柱追上禦天敵，憤怒地質問這位曾經追求自由與和平的導師為什麽會變成這樣。禦天敵沒有殺死擎天柱，只是說我們將來會再見面。
看到曾經的汽車人禦天敵的背叛，人類放棄了，把所有的委屈都攬在汽車人身上，讓他們馬上離開地球。汽車人別無選擇，只能準備登上飛船。
這時，山姆去迪倫的派對和卡莉和好。誰曾想到迪倫是幫助霸天虎的最大頭目？他用聲波綁架了卡莉，並強迫山姆做間諜，提供汽車人的信息，看他們是否在策劃反擊。他還派了壹個霸天虎機器人跟著山姆，記錄山姆和他周圍人的言行。如果薩姆不服從，卡莉就會死。
山姆找到擎天柱和汽車人，問他們有什麽計劃。擎天柱說他們沒有計劃，就默默離開了。他們剛離開。飛船在半空中被紅蜘蛛擊落，汽車人似乎全軍覆沒。
薩姆不得不向轉到基地工作的前軍官埃普斯尋求幫助，追蹤迪倫並營救卡莉。經過壹番追蹤，他們在芝加哥找到了迪倫和他們，於是薩姆、埃普斯和後者的軍部戰友也去了芝加哥。
芝加哥現在已經成為霸天虎的天堂。幸運的是，大多數人類幸存者已經離開。就在艾普斯和山姆認為沒有希望的時候，汽車人突然出現了！原來壹切都是計劃好的。他們在宇宙飛船爆炸前偷偷溜出了飛船。
此時，禦天敵和威震天正計劃再次開啟太空橋。這壹次，他們要把整個賽博坦星球送到地球，讓幸存的人類成為他們的奴隸。
汽車人救出了卡莉，但他們也犧牲了傑克。他們試圖從遠處摧毀太空橋，但是失敗了。沖擊波導致芝加哥高層建築倒塌，壹片狼藉。
就在這時，禦天敵突然和威震天翻臉，說如果不是他的家鄉，威震天這輩子都不會和他合作，把威震天撞倒高樓，虛弱的威震天爬不起來。
紅蜘蛛去抓山姆並試圖殺死他。山姆用千斤頂給他的鉤槍射中了紅蜘蛛的眼睛，然後在紅蜘蛛的胸口固定了壹枚炸彈。紅蜘蛛死不瞑目。
擎天柱與沖擊波展開激戰，結束了自己的生命。之後擎天柱用沖擊波的激光武器摧毀了太空橋的信標。薩姆這時也發現了迪倫，並和他扭打起來。最後迪倫被太空橋信標碎片砸死。
擎天柱向禦天敵挑戰。這時，賽博坦已經開始傳送了。擎天柱的左劍和右斧都無法打破禦天敵的防禦，他的右臂被打斷了。危機時刻，卡莉滿身鐵銹跑向威震天，三言兩語就激了威震天，說就算計劃成功，也不是世界的領袖。威震天大怒，不顧自己的鐵銹，沖出去偷襲禦天敵。並驕傲地對擎天柱說，沒有它，擎天柱就沒有存在價值。擎天柱臉壹沈，“走著瞧”用壹只胳膊砍死了早已油盡燈盡的威震天。奄奄壹息的禦天敵說，他只是為了自己的家鄉而戰，他不希望汽車人成為地球人的奴隸。他希望擎天柱能明白他追求的是自由，並請求擎天柱原諒他的背叛。擎天柱說，妳沒有背叛我，妳只是背叛了妳自己。兩槍結束了禦天敵的生命。
廢墟上，薩姆和卡莉互相告白，大黃蜂做了個墊圈環讓薩姆求婚。