为了追寻能量块，威震天（雨果·维文配音）来到了地球，在北极，他受到磁场的强干扰，意外地被封冻于冰层之下。借助不慎跌入冰谷的科学家们，威震天将有关能量块的信息扫描到科学家的眼镜上。威震天被美国军方秘密转移到位于胡佛大坝地下的秘密基地，这个秘密只有历任国防部长组成的7人军事小组知道。
“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，变形金刚的再次出现引起了现任国防部长的警觉，他组织一批年轻的电脑高手开始搜寻“霸天虎”的行踪。与此同时，路障帮助他的搭档迷乱潜入了美国总统的专机空军一号，通过电脑获悉，要想找到威震天就必须找到维特威基家族的那副眼镜，而它现在的拥有者山姆·维特维奇（希亚·拉博夫饰）由此成为了“霸天虎”的攻击目标。山姆是一个生活并不如意的高中生，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，山姆把眼镜放到网上拍卖，但从未引起买家的兴趣。这段时间，父亲送了一辆破旧不堪的汽车给他，这辆车恰好就是“汽车人”成员大黄蜂的变形。载着山姆的大黄蜂帮助山姆交上了漂亮的女朋友米凯拉·贝恩斯（梅根·福克斯饰），但他们很快就遭遇了“霸天虎”的袭击，擎天柱（彼得·库伦配音）带着其他“汽车人”赶到，一场机器人大战由此拉开了序幕。
擎天柱告诉山姆，邪恶的威震天企图借助能量块的辐射能把地球上所有的东西都变成“霸天虎”部队的一员，由此打败“汽车人”，进而统治整个宇宙，而毁掉能量块的方法就是将它插入擎天柱的心脏。作为坚决捍卫宇宙和平的汽车人的首领，擎天柱已经做好牺牲自己的准备。狡猾的迷乱变成了山姆女友的手机，进入了胡佛大坝下面的秘密基地，在释放威震天的同时，也将这个情报发送回“霸天虎”的总部。红蜘蛛带着其他的“霸天虎”成员吵闹、袭击、路障、旋风等迅速赶往胡佛大坝，与威震天会合。紧要关头，大黄蜂也向擎天柱发出增援的信息，爵士、铁皮、救护车在擎天柱的带领下，准备与“霸天虎”展开一场大战。
在人类军队的配合下，山姆在千钧一发的关头将能量块插入了威震天的心脏，而爵士却在这场战役中不幸牺牲，山姆的好朋友大黄蜂也被重创。威震天的机械躯体被沉入海底，破损的能量块也回到了擎天柱的手中，然而故事却没有结束，临阵脱逃的红蜘蛛飞回了塞伯坦星球，他将和其他“霸天虎”重新集结，伺机重新杀回地球，与“汽车人”再战一场。
