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9度剧情很不情愿，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。

　　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“太空桥”的事情，他们是在利用擎天柱激活御天敌，因为御天敌是拼接太空桥的关键，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。