O filme começa com um prólogo mostrando o que aconteceu em Cybertron nos últimos dias de guerra, e o que deu origem à Corrida Espacial entre os Estados Unidos e a União Soviética. Uma nave Autobot chamada Arca, comandada por Sentinel Prime, cai na Lua da Terra em 1961. Em 1969, a missão Apollo 11 vai para a Lua investigar o ocorrido.
Nos tempos atuais, o amigo humano dos Autobots, Sam Witwicky, vive em Washington com Carly, sua nova namorada, Wheelie e Brains, dois pequenos Autobots refugiados, e Bonecrusher, cão que pertencia a Mikaela, sua ex-namorada. Sam não está nada contente por não ter ganhado um emprego do governo, já que ele salvou o mundo duas vezes, e se vê obrigado a procurar emprego. Consegue emprego em uma empresa chamada Accureta Sistems, onde conhece Jerry, um misterioso funcionário da empresa que já trabalhou para a Nasa. Quando Jerry é assassinado pelo Decepticon Laserbeak, Sam procura seus amigos Autobots para tentar investigar o que está acontecendo.
Paralelamente a isso, os Autobots estavam resolvendo problemas pelo mundo que poderiam prejudicar a raça humana. Quando são informados de uma descoberta em Chernobyl que é supostamente alienígena, Optimus Prime, Ratchet e a equipe NEST vão até lá investigar. Lá, são surpreendidos por Shockwave e Driller, que logo fogem da batalha. Optimus descobre que a descoberta era uma peça de motor da Arca e fica furioso com as autoridades humanas que ocultaram isso dele. Após algumas explicações, Optimus e Ratchet vão para a Lua e encontram Sentinel Prime desativado com os pilares. Ao voltarem para a Terra, Optimus revive Sentinel usando a Matriz da Liderança.
Sam reencontra Simmons, que agora anda sempre acompanhado de seu antigo parceiro do Setor 7 Dutch, e os três vão investigar o que está acontecendo, junto dos Autobots Bumblebee, Sideswipe e Dino. Sam descobre que os Decepticons precisam de Sentinel para colocar seus planos em prática, e avisa que ele deve ser protegido. Os Dreads, um trio de Decepticons que compartilha do mesmo modo alternativo mas que cada um possui um modo robô diferente, encontram Sentinel em uma auto-estrada e começam a persegui-lo. Bumblebee, Sideswipe e Dino enfrentam os Decepticons e conseguem derrotar um deles, mas os outros escapam e são detidos por Ironhide. Sentinel Prime revela que estava traindo os Autobots e destrói a base NEST, matando Ironhide com seu canhão cósmico.
Ele parte para o centro de Washington, onde ativa os pilares que possuía e traz duzentos Decepticons que estavam enterrados na Lua para a Terra. Enquanto isso, Sam vai ao encontro de Carly na festa que o chefe dela, Dylan Gould, estava dando. Mas Dylan revela trabalhar para os Decepticons e Carly é capturada por Soundwave, um Decepticon que fingia ser o carro dela. Dylan dá ao Sam um relógio Decepticon que o obriga a fazer o que eles quiserem.
Sentinel Prime ordena aos governos da Terra que exilem os Autobots, e eles são obrigados a irem embora da Terra. Mas enquanto sua nave partia, Starscream dispara vários mísseis nela, fazendo-a cair no oceano Atlântico. Todos acreditam que os Autobots estão mortos, e os Decepticons dominam a cidade de Chicago para usá-la como ponto de partida da ponte espacial que planejavam abrir usando as centenas de pilares que possuíam. Sam, acompanhado de Epps e vários amigos dele, vai para Chicago resgatar Carly, mas é surpreendido pela invasão Decepticon.
Felizmente, os Autobots aparecem e contam como sobreviveram. Os Wreckers destroem o piloto de uma nave Decepticon, e Bumblebee toma posse dela. Com isso, Bee e Sam se infiltram na cidade e conseguem resgatar Carly. Dylan avisa à Megatron que os Autobots estão vivos, e o decadente líder Decepticon ordena que as naves os encontrem. Reforços humanos são enviados, mas Starscream derruba a maioria dos aviões. Shockwave e Driller chegam em Chicago e são confrontados pelos Wreckers.
Sam e todos que estavam com ele sobem em um prédio para tentar destruir o pilar de controle com um tiro de bazuca, mas o prédio começa a desabar, e em seguida Driller se enrola nele e o derruba. Mas Optimus Prime mata Driller e os humanos conseguem escapar. Sam e Carly se perdem dos outros e são encontrados por Starscream, que se diverte ameaçando Sam e o deixando tentar fugir. Lennox e a equipe NEST chegam para salvar Sam, e Starscream é morto com a cabeça explodida por uma bomba implantada por Sam. Bumblebee resgata Sam e Lennox, mas logo é capturado por alguns Decepticons com outros Autobots. Barricade mata Que, e quando Soundwave está prestes a matar Bumblebee, é surpreendido por naves Decepticons caindo do céu. Acontece que Wheelie e Brains haviam invadido uma das naves-mãe e começaram a destruí-la por dentro. Imediatamente Bumblebee mata Soundwave e escapa com os outros Autobots.
Enquanto isso, os Wreckers tentavam salvar Optimus, que havia ficado preso em vários cabos de um prédio em construção. Sentinel ativa os pilares e começa a trazer Cybertron para bem perto da Terra, mas Optimus consegue se libertar e volta para a batalha com todas as suas armas. Ele mata inúmeros Decepticons enquanto corre entre explosões e termina matando Shockwave. Então começa a batalha entre Optimus e Sentinel. Enquanto os Primes batalham, Megatron comemora a vitória dos Decepticons, mas Carly o lembra de que ele não era mais o poderoso líder Decepticon que já havia sido, e ele parte para enfrentar Sentinel.
Megatron atira em Sentinel Prime justo quando ele ia dar o golpe final em Optimus. Megatron pede uma trégua para Optimus, mas o líder Autobot não aceita e imediatamente arranca a cabeça de seu arqui-inimigo. Sentinel tenta se explicar para Optimus, mas também é morto por ele. Bumblebee derruba o pilar de controle e desativa a ponte espacial, fazendo com que Cybertron seja engolido por um buraco negro.
A batalha chega ao fim, e os Autobots comemoram a vitória. O filme acaba com uma fala de Optimus, como nos filmes anteriores, dizendo que nunca abandonarão o planeta Terra
