20 luglio 1969. Durante l'allunaggio viene condotta una missione segreta degli Stati Uniti, che intendono raccogliere informazioni su un'astronave aliena schiantatasi sul lato oscuro della Luna. Viene rinvenuto un enorme robot alieno, ma la notizia viene mantenuta segreta. Quarant'anni dopo, Sam Witwicky deve aiutare nuovamente gli Autobot Optimus Prime, Bumblebee, Ratchet, Ironhide e Sideswipe nella lotta contro i Decepticon e il loro capo Megatron, in cerca di vendetta per essere stato sfigurato da Optimus Prime in Egitto. Gli Autobot devono inoltre affrontare un nuovo avversario, Shockwave, che ha governato il pianeta Cybertron fino ad ora.