当年惨烈的芝加哥大战，汽车人虽然成功击退了霸天虎的入侵，却也让地球人对他们失去了应有的信任与尊重。由美国中情局组建的“墓风”部队对所有的变形金刚进行无差别的猎杀，一时间汽车人和霸天虎全都在地球不见了踪影。某天，居住在得州的落魄机械发明家凯德·伊格（马克·沃尔伯格 饰）买回来一辆破旧的卡车车头，谁知那竟是处在休眠中的汽车人首领擎天柱。嗅到气息的墓风部队蜂拥而至，苏醒后的擎天柱救走了凯德一家，也和散落在各个角落的汽车人相继取得联系。另一方面，疯狂的人类科学家从变形金刚的残骸中获知了他们变形的秘密，并企图借此制造出人造金刚，而脱胎自威震天的惊破天正是他们的得意作品以及催命死神。新一轮的危机卷土而来，地球面临更大的灾难……

雷夫（本•阿弗莱特）和丹尼（乔什•哈奈特）是一对自小玩在一起的好兄弟，两人对飞行都有很大兴趣，曾一起学习过驾驶飞机，二战初期，两人又一起加入了美国空军部队。受训期间，雷夫与军中医院里的女护士伊弗琳（凯特•贝金赛尔）坠入爱河。
为协助欧洲各国抵抗纳粹德国的侵略，美军决定派出精英部队前往欧洲大陆，雷夫自告奋勇前往参战，并将伊弗琳托付给丹尼照顾，不久，噩耗传来，雷夫的飞机在空战中不幸被德军击落，生还可能几乎为零。伊弗琳与丹尼在相互勉励的伤痛中，萌生爱情。令他们没想到的是，雷夫并没死去，当三人重聚首时，尴尬顿生。日军偷袭珍珠港一事帮他们解了围，雷夫与丹尼决定不做情敌做战友。

作为一名健身教练，丹尼尔（马克·沃尔伯格 Mark Wahlberg 饰）有着诸多难言之隐，为了能够在竞争激烈的职场上保持优势，他不得不做着比别人强百倍的努力，其中包括吃药和注射，它们都价值不菲，因此，丹尼尔的生活始终都处于窘困之中。
受够了囊中羞涩的日子，丹尼尔决定通过抢劫来改变自己的生活，他的目标是健身馆的常客维克多（托尼·夏尔赫布 Tony Shalhoub 饰），与此同时，丹尼尔还找到了经验丰富的“行家”保罗（道恩·强森 Dwayne Johnson 饰）作为搭档。一切计划都在顺利的进行当中，直到一个名叫艾德（安东尼·麦凯 Anthony Mackie 饰）的私家侦探出现在丹尼尔和保罗的生活之中。

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。

“霸天虎”的先遣部队旋风和毒蝎袭击了美军位于卡塔尔的军事基地，与此同时，路障帮助他的搭档迷乱潜入了美国总统的座机空中一号，通过电脑获悉，要想找到威震天就必须找到维特维奇家族的那副眼镜，上面有威震天关于能量块的信息扫描，而它现在的拥有者萨姆•维特维奇（希安•拉博夫 饰）成为了“霸天虎”攻击的目标。
萨姆是名高中生，学校里没有人相信他讲述的关于这副眼镜的历史，失望之余，萨姆把眼镜放到网上拍卖，然而从未引起买家的兴趣。这时父亲送了一辆破车给他，这辆车恰好就是“汽车人”大黄蜂的变形。大黄蜂帮助萨姆交上了漂亮的女朋友（梅甘•福克斯 饰），但很快就遭遇了“霸天虎”的袭击，擎天柱带着其他“汽车人”赶到，一场机器人大战由此拉开了序幕。

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……