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錄月球的時候秘密注意外星人行踪，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“禦天敵” （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。卡莉不了解薩姆的苦悶，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。根據俄國人的情報，地球人在切爾諾貝利核電站的原址遭遇了狂派的“震蕩波”（Shockwave).擎天柱擊退震蕩波，卻驚奇的發現震蕩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“禦天敵”，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，激光鳥（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。把禦天敵和五個柱狀物件帶回地球後，擎天柱用能源寶重啟了禦天敵，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禦天敵，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激活禦天敵，因為御天敵是拼接太空橋的關鍵，他們得保護好他。果然禦天敵叛變了，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，禦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，把他們通過“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，禦天敵沒有殺擎天柱，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。