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……

汽车人和霸天虎的战斗绵亘了几个世纪都未曾结束，而他们的后代——巨无霸和原始兽，更将新一轮的战斗推向了史前时代。在寻找新能源的途中，霸王龙（David Kaye 配音）指挥原始兽通过时空跳跃来到史前地球，而巨无霸也在擎天圣（Garry Chalk 配音）的带领下尾随而至。双方的拉锯战仍在继续，不久连早已盘踞在该星球的外星人沃克人也卷入其中。而穿越时空者身上承载的未来的信息，让外星人大为惊恐，由此使得战斗更加激烈。在此之后，霸王龙发现了汽车人留在地球的战舰方舟号，为了改变霸天虎战败的历史，他们试图摧毁处在沉睡中的擎天柱。
攸关全宇宙命运的战斗，在远古时代提前拉开了序幕……