未来某年的7月2日，美国各地的监视站发现一艘直径达数百英里的巨大飞船接近了地球。飞船发出的无线电信号干扰了地球的通信卫星信号，并放出了多艘直径达15英里的子飞船飞抵地球上各大城市的上空。外星飞船敌友未明，人们陷入了恐慌和迷惑。
电脑工程师戴维（杰夫•戈德布拉姆 饰）破译出外星人发出的无线电信号，其实是攻击的倒计时信号，他设法通知了前妻，总统的助理康妮，但是为时已晚，7月3日，外星人的飞船开始攻击地球，人类文明瞬间遭到巨大的打击和灾难。总统（比尔•普尔曼 饰）等人撤离到军事基地，指挥空军反击，却犹如以卵击石，毫无作用，军事基地也被摧毁，唯有飞行员史蒂文（威尔•史密斯 饰）设法诱使一架外星人战斗飞艇坠毁。
幸存者们逃到了秘密军事基地，在那里，科学家们一直在研究一艘50多年前坠毁的外星飞艇，致力于找出对付外星人的办法，那里也是人类最后的希望……

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 饰）经营爱情的山姆（希亚·拉博夫 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……

军方和汽车人的秘密合作计划面临被取消的危险，而重新复活的威震天和红蜘蛛引领霸天虎军队，密谋夺取能量源，企图在地球掀起又一场腥风血雨。
此时主人公萨姆（希安·拉博夫 饰）告别相恋的女友米凯拉（梅根·福克斯 饰），要开始自己梦寐以求的大学生活了，但一切似乎都不那么顺利，一块小小的魔方碎片似乎在给予萨姆某种启示。为了获取魔方里的信息，霸天虎开始了对萨姆的追击，擎天柱为了保护萨姆而牺牲，萨姆受其感召，决定重新担负起自己的使命。
萨姆在自己室友里奥（雷蒙·罗德里格斯 饰）和“机器战士”西蒙斯（约翰·托尔托罗 饰）的帮助下，与女友米凯拉根据魔方碎片给萨姆的提示来到了埃及，他们在金字塔里发现了能量源。而此时，霸天虎的军队也赶到了埃及。军方此时有一小队人马也在西荤斯的要求下带着擎天柱的尸体来到了埃及，善恶双方力量在那片金色的沙漠展开了殊死搏斗。