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。
主要角色形象(4张)
　　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。
　　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。
　　原来，御天敌认为汽车人永远不可能取胜，所以他需要用空间桥来拯救赛博坦星。所以他不惜背叛汽车人，而和威震天合伙。他们唤醒了早就埋伏在月球上的秘密霸天虎军队，把他们通过“太空桥”传送到地球。擎天柱追上御天敌，怒问为何昔日追求自由和平的导师会变成如此，御天敌没有杀擎天柱，只是说日后再相见。
　　看到曾经身为汽车人的御天敌的背叛，人类放弃了，把怨气都撒到了汽车人头上，让他们立刻离开地球。汽车人无奈只好准备登上飞船。
　　这时萨姆前去迪兰家的聚会想与卡莉和好，谁曾想，在帮助霸天虎的人类中，迪兰是最大的头头。他利用声波（soundwave)绑架了卡莉，并逼萨姆做间谍，提供汽车人的情报，看看他们是否在计划反攻，他还派了一个霸天虎机器人跟在萨姆身边，记录萨姆及其周围人的言行，如果萨姆违抗，卡莉就会死。
　　萨姆去找了擎天柱和汽车人，问他们有何打算，擎天柱说他们没有打算，只会默默地离开，他们就这么走了，飞船在半空中被红蜘蛛打落，汽车人似乎已经全军覆没。
　　萨姆只好向转行到基地工作的前军官Epps求助，求他帮自己追踪迪兰、救出卡莉。经过一番跟踪，他们发现迪兰他们在芝加哥，于是萨姆还有Epps以及后者的军中战友一起也去了芝加哥。
　　芝加哥此时已经变成霸天虎的乐园，好在大部分的人类幸存者已经离开。正当Epps、萨姆他们认为没有希望的时候，汽车人突然出现！原来一切都是计划好的，他们在飞船爆炸前已经偷偷逃出了飞船。
　　这时的御天敌和威震天正计划再次开启太空桥，这次，他们要把整个赛伯坦星球都传送到地球，让幸存的人类作他们的奴隶。
　　汽车人救出了卡莉，但也牺牲了千斤顶。他们想从远处摧毁太空桥，但是失败了。震荡波让芝加哥高楼倒塌、一片狼藉。
　　这时御天敌突然与威震天反目，说要不是为了故乡，这辈子别想威震天和他合作，并把威震天打下高楼，虚弱的威震天倒下起不来了。
　　红蜘蛛去抓萨姆想杀死他，萨姆用千斤顶给他的钩射枪射中了红蜘蛛的眼睛，然后又把一枚炸弹固定在红蜘蛛的胸口，红蜘蛛死不瞑目。
　　擎天柱与震荡波激战，结束了其生命，之后擎天柱用震荡波的激光武器摧毁了空间桥的灯标。萨姆这时也找到了迪兰，与他扭打在一起。最后迪兰被空间桥灯标碎片终结了生命。
　　擎天柱单挑与御天敌，这时赛伯坦星球已经开始传送过来了，擎天柱的左剑右斧无法破开御天敌的防御，并且被其打断右臂。危机时刻卡莉跑到浑身铁锈威震天的面前，三言两语来激将威震天，说即使是这个计划成功了，世界也不是它当领导。威震天大怒不顾自己满身铁锈，冲出去偷袭御天敌得手。并且得意洋洋的对擎天柱说，如果没有它在，擎天柱也就没有了存在价值。擎天柱脸一沉，“We'll see",单臂砍死了早就油尽灯枯的威震天。奄奄一息的御天敌说它只是为了故乡，并且不想让汽车人成为地球人的奴隶而战，希望擎天柱能明白它是在追求自由，请擎天柱原谅他的背叛。擎天柱说道，你没有背叛我，你只是背叛了你自己。两枪结束了御天敌的生命。
　　在废墟上，萨姆和卡莉互相表白，一旁的大黄蜂做了垫片戒指非要让萨姆求婚。
第二版本剧情
　　距今50多年前，一艘来自赛博坦的飞船坠落月球，由此引发了美苏两国的太空竞赛。人类争相登上月球，只为一探飞船残骸中的秘密。时间回到21世纪初，经过几番征战，汽车人终于挫败霸天虎的入侵，继而与人类合作，共同保卫美丽的地球。然而发生在切尔诺贝利的事件却将尘封已久的月球计划重新摆到桌面。为了防止霸天虎找到能量柱为非作歹，擎天柱与战友飞赴月球，更从当年的飞船中救出了汽车人的先代领导者——御天敌。御天敌是能量柱的发明者，将上百根能量柱集合在一起便可制造太空桥，实现物质的瞬间传送。
　　忙着找工作以及和女友卡莉（罗茜·汉丁顿-惠特莉Rosie Huntington-Whiteley 饰）经营爱情的山姆（希亚·拉博夫 Shia LaBeouf 饰）无可避免地卷入其中，他渐渐发现霸天虎的操纵一切的阴谋，却不知更大的阴谋和危机隐藏在那月影背后……