第一部：能量源引起的战争

“汽车人”和“霸天虎”为了争夺能量体所引发战争，但能量体却消失在浩瀚的宇宙中，他们寻找了每一个银河、每一个世界都一无所获，但根据新的线索能量体藏在一个星球上——地球。

山姆.维特维奇Sam（希亚.拉博夫Shia）是个高中生，他的祖先维特维奇船长留下一副眼镜传到了山姆手里，山姆的祖先发现了前来地球寻找火种源的威震天，受磁场干扰，威震天被冰封在了北极，他将火种源的地图烧刻在山姆祖先的眼镜上。

山姆偶然购买的第一辆汽车恰好是“汽车人“大黄蜂的变形体。“霸天虎”发现了威震天的踪迹，想方设法复活威震天，而山姆的眼镜是找到威震天的重要线索，所以山姆算是站在了”汽车人”一方对抗“霸天虎”。

山姆从“汽车人”首领擎天柱那里得知，邪恶的威震天企图借助火种源的辐射能把地球上所有的东西都变成“霸天虎”部队的一员，借此战胜“汽车人”，进而统治整个宇宙，而毁掉火种源的唯一办法就是将它插入两派变形金刚首领的心脏。

影片最后山姆将火种源插入威震天的心脏，威震天死了。威震天的机械躯体被扔进了海底，破损的火种源也回到了擎天柱的手中，然而故事却没有结束，片尾隐藏剧情中，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。

第二部：山姆印记

山姆去大学之前发现自己包里有魔方碎片，成果魔方碎片把内部数据刻在了山姆脑子里，后来军方保管的另一个碎片被偷用于复活威震天，威震天复活后去见堕落金刚，威震天得知山姆脑子里的魔方数据可以帮助他们重建种族,于是山姆再一次卷入了“汽车人”与“霸天虎”之间的战争。

在一次冲突中，擎天柱为了拯救山姆，被威震天偷袭用刀穿心而死。

为了复活擎天柱，所有人传送到了埃及寻找布莱姆斯族留下的原能矩阵，而此时堕落金刚带领霸天虎军队来到了地球。企图得到原能矩阵以摧毁太阳。其他汽车人也随军队赶到埃及并把擎天柱的遗体带来，山姆根据早期到达地球的变形金刚天火给的暗语，找到了原能矩阵所在地，还看到了元老的遗体，但原能矩阵化为了灰。

山姆不放弃带着这些碎屑冲向擎天柱，遭到霸天虎围追堵截。汽车人与霸天虎大战，天火也前来支援，但遭偷袭身负重伤。擎天柱被山姆复活了，但是极度虚弱，战斗力严重不足。

最后天火牺牲了自己，擎天柱借用天火的身体，飞往金字塔，摧毁了机器并与堕落金刚和威震天战斗，威震天被掰断一只手，半边脸也被打烂，先躲开。而堕落金刚在一顿海扁后被擎天柱杀死。威震天和红蜘蛛无奈的离开。

第三部：空间之桥

山姆大学毕业后和新女友住在华盛顿，他曾经拯救过世界两次，虽然有点不适应正常人的生活，但还是找了份工作，试着让自己安定下来。

与此同时，“汽车人”正在与人类一起在世界上与“霸天虎”作战。期间发现擎天柱的导师御天敌在月球，擎天柱对人类隐瞒此事感到愤怒，并把御天敌和他身边的能量柱带回了地球。

御天敌和“霸天虎”知道“空间桥”的秘密，御天敌认为“汽车人”永远不能够取胜，他叛变了，并与威震天结盟（威震天竟然还没死）。他们唤醒了月球上的秘密霸天虎军队，并通过“空间桥”传送到地球，企图霸占地球。

人类把气都撒在了“汽车人”身上，逼迫擎天柱带领“汽车人”离开。并在途中飞船被红蜘蛛打落，似乎已经全军覆没。

御天敌和威震天企图再次开启“空间桥”，他们想把整个塞伯坦星球传送到地球，让幸存的人类作他们的奴隶。

似乎已经全军覆没的“汽车人”再次出现，原来那是他们计划好的。一阵激战，御天敌突然与威震天反目，御天敌把威震天推下高楼，虚弱的威震天倒下不起。

最后擎天柱团队和山姆的配合取得了战争胜利。擎天柱的声音响起，他说，任何战争，风暴之中总会有停息。有一天，我们会失去信心；有一天，我们的战友会背叛我们……但我们永远不会抛弃这个星球和他的人民。我是擎天柱，我向全宇宙发去这条讯息——我们在这，我们到家了。