山姆与新女友卡莉共同居住在华盛顿。尽管这位前超级英雄曾经拯救过世界两次，但他仍难以适应普通人的生活。为了安定下来，山姆找到了一份工作。然而，卡莉并不了解他内心的挣扎。她为艺术品和汽车收藏家迪兰·古尔德工作，后者由帕特里克·德姆西饰演。与此同时，小变形金刚“转轮”和它的同类小机器人“Brain”也与山姆和卡莉住在一起。

与此同时，汽车人正在与兰诺克斯少校一起在世界各地与人类的敌人——霸天虎作战。在一场与钻探兽的激战后，擎天柱发现了一个属于一艘他们认为早已失踪的汽车人飞船的柱状物件。霸天虎仍然留在地球上，其首领威震天虽然现在虚弱不堪，但仍在密谋着什么。擎天柱对人类向他隐瞒实情感到愤怒，尤其是对美国国家情报局局长夏洛特·米樱。原来多年前美国宇航员登陆月球时就发现了坠毁的变形金刚汽车人飞船——“方舟号”(Ark)里的能量柱，但他们一直向世人和汽车人隐瞒这个秘密。

擎天柱要求去月球一趟，他们很快就达到了那里，却未察觉到霸天虎尾随。在月球上，擎天柱一行人发现了“御天敌”(Sentinal Prime),他是汽车人的前任领袖，也是擎天柱的导师。汽车人将御天敌和他的五个能量柱带回了地球。

此时的山姆正被他的新老板折磨得焦头烂额。接着，Jerry.wang认出他是变形金刚的朋友，试图告诉他霸天虎的阴谋。显然，山姆也被迫参与了那个计划。不一会儿，激光鸟就结果了他。山姆赶紧跑去告诉汽车人，但被拦在秘密基地外面。尽管米樱局长很不情愿，但在别人的坚持下，只好让山姆留下来旁观事态进展。

在将御天敌和五个能量柱带回地球后，擎天柱使用领导模块(The Matrix)重启了御天敌，然后将其放回自己的身体。原来，那些能量柱是“空间桥”的一部分，数量众多，但现在它们已经分散到世界各地。米樱局长开始赶山姆回家，而山姆则依靠自己的分析和推导，揭示出霸天虎正在利用人类做什么，但没有人听从他的建议。因此，他决定寻求退休探员西蒙(约翰·特特罗)的帮助来调查此事。卡莉对此感到不满，她责怪山姆想要再次拯救世界。两人因此发生了争吵，最终分手。卡莉独自前往老板迪兰的聚会。

西蒙将自己的经历写成了一本畅销书，现在生活得很悠闲，但他还是很快就答应了山姆的请求。两人首先去找当年登月的宇航员，他们深信这些人一定知道内情，但政府已经下达了封口令。老宇航员们向山姆展示了一些当年拍摄的月球背面照片，原来那里有许多能量柱。山姆立刻意识到霸天虎一直都知道“空间桥”的事情，他们是在利用擎天柱激活御天敌，因为御天敌是拼接空间桥的关键，他们必须保护好它。在此过程中，狂派的恐惧战队与博派进行了一场追逐战，最终铁皮和横炮成功解决了问题。然而，御天敌突然叛变，杀死了铁皮，用腐蚀性酸枪将他熔化，并带着能量柱逃跑。

原来，御天敌认为汽车人永远不可能取得胜利，所以他与威震天结盟，认为这样可以迅速实现和平。当初他驾驶飞船前往地球与威震天会面时，两人都遭到了狡猾的红蜘蛛的伏击。一个撞到了月球，另一个则栽在了北极。现在，御天敌和威震天可以开始他们的宏图大计了，他们唤醒了潜伏在月球上的秘密霸天虎军队，并通过“空间桥”将他们传送到地球。看到如此众多的霸天虎，人类放弃了抵抗，将怨气都撒在了汽车人身上，要求他们立即离开地球。汽车人无奈只好准备登上飞船。

就在此时，山姆前去迪兰家的聚会试图与卡莉和解，但却发现迪兰是帮助霸天虎的人类中的最大头目。他绑架了卡莉，并逼迫山姆成为间谍，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山姆身边，记录他及其周围人的言行。如果山姆违抗命令，卡莉就会丧命。山姆找到擎天柱和汽车人询问他们的打算，擎天柱表示他们没有计划，只会默默地离开。他们的飞船在半空中被红蜘蛛击落，汽车人似乎已经全军覆没。山姆只好转向曾在基地工作的前军官Epps求助，请求他帮助自己追踪迪兰、救出卡莉。经过一番跟踪，他们发现迪兰等人在芝加哥，于是萨姆、Epps以及后者的军中战友一起前往芝加哥。

芝加哥已经变成了霸天虎的乐园，但大部分人类幸存者已经离开。就在Epps、山姆等人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。此时，御天敌和威震天正计划再次开启空间桥，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Wheeljack和IronHide这两位成员。他们试图从远处摧毁空间桥，但失败了。震荡波指挥它的宠物——钻探兽，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，说他不再为他工作，并把威震天推下高楼。虚弱的威震天倒下起不来了。

红蜘蛛抓到山姆想杀死他，山姆用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另一只眼上。红蜘蛛遭受重创死亡。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主控柱。

山姆找到迪兰，与他扭打在一起。最后迪兰被空间桥主控柱的电流终结了生命。擎天柱开始与御天敌对打，这时赛伯坦星球已经开始传送过来了。擎天柱根本不是御天敌的对手。卡莉跑到威震天跟前，用激将法促使威震天帮助擎天柱和御天敌对打。

御天敌受伤倒下时，威震天激怒了擎天柱。结果擎天柱先出手杀掉了威震天，然后用威震天的枪杀了御天敌。在废墟上，山姆和卡莉互相表白。一旁的大黄蜂做了齿轮戒指非要让山姆求婚。

擎天柱的声音响起：“任何战争、风暴之中总会有停息。有一天我们会失去信心；有一天我们的战友会背叛我们......但我们永远不会抛弃这个星球和他的人民。我是擎天柱我向全宇宙发去这条讯息——我们在这、我们到家了”。

以下是重构后的内容：

荣恩·维特维奇由凯文·杜恩饰演，宣晓鸣和陈永信为他配音。茱蒂·维特维奇由朱丽·怀特饰演，廖菁和许盈为她配音。达奇由艾伦·图代克饰演，李锦纶为他配音。杰瑞·王由肯·郑饰演，陈卓智为他配音。General Morshower由格伦·莫肖尔饰演，卢国权为他配音。Eddie由Mighty Rasta饰演，陈卓智为他配音。Buzz Aldrin由巴兹·奥德林饰演。Epps Team 'Hooch'由米卡尔·威戈饰演(as Mikal A. Vega)。Epps Team 'Stone'由乔什·凯利饰演。President Kennedy由布雷特·史泰利饰演。