In 1994 voegen de Maximals, Predacons en Terrorcons zich in de strijd op aarde tussen de Autobots en de Decepticons. Noah is een doodgewone jongen uit Brooklyn die samen met de ambitieuze researcher Elena bij dit gevecht betrokken raakt. Intussen nemen Optimus Prime en de Autobots het op tegen Scourge, een nieuwe aartsvijand die het op hun ondergang gemunt heeft.
In het jaar 1987 vindt Bumblebee, die op de vlucht is, een schuilplaats op een autokerkhof in een Californisch strandstadje. Daar wordt hij gevonden door de tiener Charlie die op haar beurt haar plek in de wereld probeert te vinden. De gebroken Bumblebee is er erg aan toe, maar Charlie weet hem te herstellen en ontdekt dat ze niet met een gewone auto te maken heeft. De twee worden elkaars beste vrienden die elkaar beschermen wanneer Bumblebee's toekomst bedreigd wordt.
Cade Yeager (Mark Wahlberg) wordt beschermd door Autobots Bumblebee, Hound, Drift, en Crosshairs. Optimus Prime wordt nog steeds vermist, hij is namelijk alle uithoeken van het universum aan het afzoeken naar zijn schepper Unicron. Die is echter een plan aan het smeden om de aarde te vernietigen, en Optimus moet de Autobots aanvoeren in hun pogingen om Unicron te stoppen.
Terwijl de mensheid zich herstelt van de grote schade die aangericht werd in Transformers: Dark of the Moon, zijn de Autobots en Decepticons nagenoeg van de Aarde verdwenen. Maar een kleine en machtige groep zakenmannen en wetenschappers proberen de grenzen van de menselijke technologie verder te verleggen dan ooit te voren. Verder zelfs dan ze kunnen beheersen. Daarnaast dient zich een oeroude, krachtige vloek voor de Transformers aan op Aarde. Een episch avontuur en gevecht tussen goed en kwaad, vrijheid en slavernij, breekt los.
Nadat Sam Witwicky is afgestudeerd, lukt het hem niet om werk te vinden en dat zet de relatie met zijn vriendin Carly onder druk. Sam ontdekt dat de NASA tijdens de eerste maanlanding in 1961 een gestrand ruimteschip heeft aangetroffen afkomstig van de planeet Cybertron, waar de moedige Autobots een bittere strijd voerden tegen de boosaardige Decepticons. Wanneer Optimus Prime, de leider van de Autobots, hoort van het ruimteschip op de maan, plant hij een missie om de waardevolle Zuilen aan boord veilig te stellen. Sam ontdekt echter dat de Decepticons hem voor zijn geweest en met de Zuilen een ruimtebrug maken die een heel leger naar de aarde brengt. Kunnen Sam en de Autobots voorkomen dat de Decepticons de mensen tot hun slaven maken?
Duizenden jaren voor Optimus Prime en de andere autobots op aarde kwamen, bestond er een ras van oude Transformers die het universum afstruinden op zoek naar Energon. Zij stonden bekend als de dynastie van Primes, en gebruikten een machine genaamd de Sun Harvester om sterren van hun energie te ontdoen. Deze energie werd dan omgezet tot energon om de AllSpark van kracht te voorzien. Wel werden sterren met planeten waarop leven was gespaard. Een van de Primes, bijgenaamd de gevallene (The Fallen), brak deze regel echter door in 17000 voor Christus een Sun Harvester op aarde te bouwen. De overige Primes offerden zich op om de Matrix of Leadership, de sleutel tot het activeren van de Sun Harvester, te verbergen en zo de aarde te redden.
De film keert vervolgens terug naar het heden. Twee jaar zijn verstreken sinds de vorige film. Optimus leidt een militaire organisatie bestaande uit mensen en autobots, genaamd de NEST. Ze hebben tot doel de laatste decepticons op aarde op te sporen. Bij een missie in Sjanghai vernietigen ze de Decepticons Sideways en Demolishor. Demolishor waarschuwt hen echter dat de gevallene terug zal keren.
In Amerika vind Sam een splinter van de vernietigde AllSpark. Wanneer hij hem aanraakt, krijgt hij allemaal symbolen te zien die samen een code vormen waarmee de Matrix of Leadership kan worden gevonden. Hij geeft de AllSpark aan zijn vriendin Mikaela Banes alvorens naar de hogere school te vertrekken. Mikaela raakt ook onder invloed van de AllSpark, en begint boodschappen te schrijven in de Cybertronische taal.
Heel lang geleden was er een oorlog op de planeet Cybertron, tussen de Autobots en de Decepticons. Vele jaren later, op de planeet Aarde, koopt de jonge Sam Witwicky zijn eerste auto en komt tot de ontdekking dat het de Autobot Bumblebee is. Deze is er om Sam te beschermen, aangezien Bumblebee niet de enige Transformer is die op Aarde is gekomen. Ook de Decepticons zijn op Aarde en beginnen het Amerikaanse leger aan te vallen. Als Sam en zijn vriendin Mikaela dan ontdekken dat het leger van plan is zowel de vijandige Decepticons als de vredelievende Autobots te vernietigen, proberen ze een nieuw plan te bedenken om de Decepticons te stoppen.
