Im Jahr 1961 stürzte ein cybertronisches Raumschiff, das einen verlorenen Anführer der Autobots und eine mächtige Vorrichtung an Bord hatte, auf der dunklen Seite des Mondes ab. Das Ereignis wurde von der NASA entdeckt, was Präsident John F. Kennedy dazu veranlasste, die Apollo-Missionen als Tarnung für die Untersuchung des Wracks zu autorisieren. Jahrzehnte später unterstützen die Autobots unter der Führung von Optimus Prime weiterhin die Menschheit, während sie heimlich hoffen, ihren Krieg mit den Decepticons zu beenden. Während einer Mission in Tschernobyl entdeckt Optimus eine Brennstoffzelle des verlorenen Schiffs, der Ark, und erfährt, dass es seine Reise von Cybertron überstanden hat. Dieser Spur folgend reisen die Autobots zum Mond und finden ihren ehemaligen Anführer Sentinel Prime im Koma vor, zusammen mit fünf seiner Erfindungen: Säulen, die in der Lage sind, eine Raumbrücke zu erzeugen, um Materie über große Entfernungen zu teleportieren.

Sam Witwicky, mittlerweile ein junger Erwachsener, der Schwierigkeiten hat, einen Job zu finden und frustriert ist, weil er von den Autobot-Operationen ausgeschlossen wird, wird in die Verschwörung verwickelt. Mit seiner neuen Freundin Carly Spencer deckt Sam auf, dass die Decepticons systematisch alle eliminieren, die mit dem Apollo-Programm in Verbindung stehen. Zusammen mit dem exzentrischen Ex-Agenten Seymour Simmons erfährt Sam, dass die Decepticons die Ark bereits Jahre vor den Autobots geplündert und Sentinel und die fünf Säulen absichtlich als Köder zurückgelassen hatten. Den Decepticons fehlten die Mittel, Sentinel wiederzubeleben, und sie manipulierten die Autobots, dies für sie zu tun.

Nach seiner Wiederbelebung verrät Sentinel Prime, gesprochen von Leonard Nimoy, sofort die Autobots und enthüllt einen Pakt mit Megatron, um das Überleben der cybertronischen Rasse auf Kosten der Erde zu sichern. Er tötet den Autobot Ironhide und aktiviert seine Säulen, wodurch Hunderte versteckte Decepticons vom Mond zur Erde teleportiert werden. Die Decepticons fordern die Verbannung der Autobots vom Planeten, um einen Krieg zu vermeiden. Als ihr Schiff abfliegt, wird es abgeschossen, was sie scheinbar zerstört. Nachdem die Autobots verschwunden sind, übernehmen die Decepticons unter der Führung von Megatron und Sentinel die Kontrolle über Chicago und beginnen, Säulen auf der ganzen Welt zu platzieren.

Carly wird von ihrem charmanten Chef Dylan Gould gefangen genommen, der sich als menschlicher Kollaborateur herausstellt, der für die Decepticons arbeitet. Gould erklärt, dass die Decepticons planen, ihre Heimatwelt Cybertron in die Erdumlaufbahn zu transportieren und die menschliche Bevölkerung als Sklaven zum Wiederaufbau ihrer Gesellschaft zu nutzen. Sam, unterstützt von den Autobots, die ihren eigenen Tod vorgetäuscht hatten, und Militärveteranen wie Robert Epps, startet einen verzweifelten Angriff auf Chicago, um Carly zu retten und die Aktivierung der Raumbrücke zu verhindern. Eine klimaktische Schlacht entbrennt, die zum Tod bedeutender Decepticon-Figuren wie Starscream und Shockwave führt. Optimus Prime, nachdem er in einem brutalen Kampf mit Sentinel seinen Arm verloren hat, wird von einem eifersüchtigen Megatron, der fürchtet, in den Schatten gestellt zu werden, ein Waffenstillstand angeboten. Optimus lehnt ab, tötet Megatron und exekutiert dann den verräterischen Sentinel Prime für seine Verbrechen an der Menschheit und den Autobots.