Фильм начинается с флешбэка в 17 000 год до н. э., когда на Земле шла война между Автоботами и Десептиконами. Десептиконы потерпели поражение, а их лидер, Мегатрон, и древнее зло — Падший — были заточены.
В наши дни, спустя два года после битвы в Мишн-Сити, Сэм Уитвики готовится к отъезду в колледж. Он находит у себя на куртке осколок Искры (сердца) Оптимуса Прайма. Этот осколок активируется и наполняет сознание Сэма информацией о координатах и древних тайнах, что привлекает внимание Десептиконов.
Десептиконы воскрешают Мегатрона, используя осколок Искры другого Прайма. Они узнают, что Сэм теперь хранит в своей голове «язык прародителей» — ключ к нахождению Матрицы лидерства, способной активировать «Гаситель Солнца» — машину, превращающую звёзды в энергон (топливо для трансформеров). Земля — единственная планета, где эта машина может быть уничтожена.
В колледже Сэм встречает таинственную девушку Элис, которая оказывается десептиконом-«дроном», принявшим человеческий облик. Она пытается выкачать из него информацию. В это же время на Сэма охотятся миниатюрные десептиконы-«хэдмастеры». В результате схватки в общежитии Сэм погибает, но его воскрешает энергия Искры, которая окончательно загружает в его мозг карту.
Автоботы и военные (NEST) находят Сэма и отправляются с ним в Египет, следуя за координатами. Там они ищут гробницу Праймов, чтобы найти Матрицу лидерства. Десептиконы устраивают засаду. В решающей битве Оптимус Прайм вступает в поединок с Мегатроном и Старскримом, но его предательски убивает Мегатрон по приказу Падшего. Оптимус погибает.
Сэм и Микаэла с помощью бывшего десептикона Джетфайра (старейшины) находят Матрицу лидерства. Однако она рассыпалась в прах за тысячелетия. Сэм понимает, что Матрица — это не предмет, а символ веры, и собирает прах в свой носок.
Падший прилетает на Землю, забирает Матрицу и активирует Гаситель Солнца. Военные пытаются уничтожить пирамиду, где установлена машина, но терпят неудачу.
Сэм добирается до тела Оптимуса и использует Матрицу, чтобы воскресить лидера Автоботов. Воскрешённый Оптимус мгновенно уничтожает Гаситель Солнца.
Затем происходит финальная битва: Оптимус Прайм сражается одновременно с Мегатроном и Падшим. С помощью Сэма и военного истребителя Оптимус побеждает сначала Мегатрона (отрубая ему голову), а затем убивает Падшего, спасая Землю от уничтожения.
Фильм заканчивается тем, что Сэм возвращается к Микаэле, а в космосе Старскрим объявляет, что Десептиконы отступили, чтобы собрать новую армию для возвращения.