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……

“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。