魔方（Allspark）創造了最早的13個變形金剛，他們就是“The Primes”（領導者），為了獲取更多的能量，這群變形金剛發明了“領導模塊”（Matrix of Leadership），它可以用來驅動壹種從太陽吸取能量的裝置（就是生產能量塊Energon的裝置）。“The Primes”們在茫茫宇宙中到處尋找可以為他們提供能量的太陽，但他們也***同發誓：如果那顆太陽周圍有生命的存在，他們就不會對那顆太陽下手。
“The Primes”們來到地球，見到了早期的人類，他們被人當作了神靈。墮落金剛（The Fallen）想要把領導模塊據為己有，於是他選擇背叛誓言。另外12個變形金剛為了不讓他得逞把領導模塊藏在了壹個墓中。墮落金剛殺死同胞後沒有停止尋找，只有“The Primes”最後幸存的後代“擎天柱”可以阻止他。
第壹幕：上海
NEST（非生物地外物種部門）仍然在追蹤霸天虎，鐵皮（Ironhide）、橫炮（Sideswipe）、擎天柱、雙胞胎機器人以及軍方的Epps、Lennox都在這裏。他們順著破壞者（Demolisher）的信號找到了他，但在靠近時破壞者變形成為巨輪（預告片中的那壹幕），不過擎天柱和鐵皮從他的側面襲擊最終擊敗了他。與此同時，橫炮也把邊路（Sideways）幹掉了。破壞者在死之前透露了“墮落金剛”的名字。
第二幕：薩姆的家
電視裏正在直播關於Mission City（第壹集結尾大戰的城市）的聽證會，他們指責壹家機器人公司刻意隱瞞實情，但薩姆（Sam）、米凱拉（Mikaela）還有薩姆的父母都知道真相。薩姆正在打點行李準備去上大學，米凱拉打來電話，她對遠距離戀愛十分不安。薩姆口袋裏的魔方碎片這時掉到了地板上，在地上燙了壹個洞，又掉到樓下的廚房，並把約6樣廚房電器變成了變形金剛，微波爐和手機打了起來，微波爐把手機吞進肚子裏加熱殺了它，這些機器人跑上了樓追著薩姆，幸好大黃蜂來了，他消滅了這些機器人，但也把房子破壞了。
薩姆把魔方碎片交給米凱拉保管，後者把碎片藏到了父親摩托車行裏。霸天虎間諜轉輪（wheelie）竊聽到了他們的計劃，準備偷走碎片。
第三幕：NEST總部
擎天柱匯報關於“破壞者”的消息，國家安全協會（NSA）的顧問蓋洛威（Galloway）不信任汽車人，他說霸天虎來地球都是汽車人招引來的，他甚至提出讓總統驅逐汽車人。汽車人不知道“墮落金剛”是誰，因為寄存他們所有歷史的魔方已經被摧毀了。聲波（Soundwave）竊聽他們匯報任務，知道了威震天在海底的具體位置。
聲波放出機器狗（Ravage），機器狗然後和蛛形機器人“醫生”（Doctor）闖進NEST總部偷走了魔方碎片。
第四幕：大學
薩姆的室友裏奧（Leo）深信變形金剛的存在，他還開辦了壹家網站，專門報道各地出現的變形金剛消息，不過總是被壹個網名叫“機器戰士”（Robo Warrior）的人開的另壹家網站搶了先。
裏奧用黑客手段進入了學校網站數據庫，把最漂亮的女孩都安排住進了他們宿舍那壹層。就這樣愛麗絲（Alice）進入了薩姆的生活。
薩姆和裏奧去參加派對，薩姆總是產生幻覺，看到壹些奇怪的符號（象形文字），他試圖把符號畫在蛋糕上。愛麗絲拉他去跳舞，這時薩姆聽到了外面有熟悉的汽車聲，他出去壹看是大黃蜂，大黃蜂帶薩姆去了壹個墓地，擎天柱也在那裏。他們警告薩姆說魔方碎片被偷了，並提出讓薩姆作為汽車人的發言人。薩姆不太願意，他想過正常的生活，他也不知道自己能做什麽，因為擎天柱都說服不了那些人他又怎麽能做到呢？擎天柱相信薩姆，沒有強迫他。
第五幕：海底
機器狗和醫生潛入大洋海底，把魔方碎片插入威震天讓他復活了。
第六幕：課堂
瑞恩·威爾森（Rainn Wilson）扮演的薩姆的教授正在上課，薩姆打開書開始速讀，然後又出現了幻覺，發癲的他發表了很多高論，如愛因斯坦是錯的、宇宙是如何形成的等等，最後他被趕出課堂，跑到圖書館裏看壹本他祖父的書。
第七幕：太空
威震天變成賽伯坦星球飛機的形態離開地球，前往另壹個星球（可能是火星）。他在那裏見到了正在等他的紅蜘蛛（Starscream）還有墮落金剛。和墮落金剛在壹起威震天也只能俯首稱臣，它們倆的關系類似“星戰”裏的西斯大帝和黑武士達斯維達。墮落金剛說有辦法再造壹個魔方，威震天說魔方已經被摧毀了，墮落金剛反問他壹句“妳不是也壹樣嗎”。墮落金剛告訴威震天，薩姆知道那個埋藏“領導模塊”的地點，並要他們立刻找到他。威震天想擁有“Primes”們的力量，墮落金剛許諾會滿足他，於是15個霸天虎出發跟著威震天和紅蜘蛛前往地球，而此時薩姆早已在霸天虎的監視之下。
第八幕：米凱拉的摩托車行
米凱拉發現了老在周圍晃悠的轉輪，轉輪供認說墮落金剛命令他獲取藏在碎片裏的知識，米凱拉把轉輪關了起來，帶著他去找薩姆。
第九幕：薩姆的大學
愛麗絲在薩姆的寢室，把薩姆逼近了墻角，正要親他時米凱拉趕到了。在走廊裏的裏奧在電視裏看到了壹個機器人和愛麗絲長得壹樣，原來愛麗絲是受霸天虎操控的、來自迪士尼樂園的人形機器人。經過壹番爭鬥，薩姆、米凱拉、裏奧坐上車，逃離了宿舍。在這種緊張氣氛下，裏奧還不忘打哈哈，問薩姆是不是從未來被派來拯救他自己的（《終結者》笑話），正說笑間車猛撞到了電線桿，從愛麗絲身上軋了過去。然而他們還沒來得及慶幸就被壹架霸天虎的直升機機器人抓住了。
第十幕：工廠
紅蜘蛛把薩姆他們的車劈成了兩半，威震天對薩姆說：“還記得我麽？我可記得妳。”然後他們開始折磨薩姆，蛛形機器人“醫生”用壹把鋼鋸從薩姆腦子裏獲取情報。就在此時擎天柱和大黃蜂及時趕到，救下了薩姆他們，然後開打，壹直打到工廠外面的樹林裏。擎天柱問威震天墮落金剛是誰，威震天說他來了妳就知道了。擎天柱壹人和3個霸天虎大戰，最後被威震天從背後刺殺，鐵皮、救護車和雙胞胎機器人趕到後，霸天虎才離開。
這場大戰後，汽車人把薩姆藏了起來，霸天虎們再也找不到他了，於是他們求助於聲波，聲波以威震天的名義給每個地球人廣播了壹條消息，把變形金剛的事情公之於眾，威脅人類說如果他們在壹個太陽周期內不能找出那個男孩，霸天虎就壹個接壹個的摧毀城市。薩姆的父母正好在巴黎度假，看到這個後驚慌失措。
第十壹幕：NEST總部
擎天柱死了，國家安全協會也解散了NEST組織。薩姆感到了自責，他後悔當初沒有答應擎天柱的請求。他仍然被那些奇怪符號的幻覺所困擾，他寫下了那些符號，雙胞胎機器人認出那是“Primes”們的語言，而裏奧也說他在“機器戰士”的網站上看到過這樣的字符。於是他們去找“機器戰士”，沒想到他就是西蒙斯（Simmons）——第壹集的特工，現在在他母親的熟食店幫工。西蒙斯告訴他們，其實變形金剛很早以前就來到地球了。
薩姆說威震天堅信地球上有另外的能量來源，汽車人們都無能為力，因為這對他們來說也太古老了，米凱拉突然想起自己抓住的霸天虎轉輪，於是決定從他嘴裏探取情報。轉輪告訴他們地球上有壹些古老的變形金剛叫做“Seekers”（尋找者），但不清楚他們在尋找什麽，只知道他們既不是汽車人也不是霸天虎，轉輪定位了10個“Seekers”，最近的壹個在華盛頓特區。
第十二章：華盛頓特區
原來那個在華盛頓的“Seekers”就是天火（Jetfire），他變成壹架飛機呆在博物館裏。天火就像壹位健忘的老人，他不記得自己在哪裏、也不記得自己要找什麽了。薩姆他們答應天火，如果他幫助他們，他們也會幫他恢復記憶。天火得知戰爭還在繼續非常失望，薩姆提到墮落金剛，觸發了天火的記憶。
薩姆畫出那些符號，經天火翻譯後發現，那些是指示方位的。於是天火打開了壹個蟲洞，把大家都送到了埃及。天火介紹了墮落金剛以及吸取太陽能量裝置的歷史，他說只有“Prime”的後人才能擊敗墮落金剛，而擎天柱正好是“Prime”的最後傳人，當初墮落金剛為了找出還是孤兒的他不惜在賽伯坦星球上發動戰爭。薩姆問“領導模塊”能不能救活擎天柱，天火說應該可以。
薩姆給軍方的朋友Lennox發去信息，要他把擎天柱運到埃及來，Lennox答應了，還派了壹支艦隊前來協助。不過此時眼觀四路、耳聽八方的聲波已經知道薩姆的位置了。薩姆和米凱拉坐在星空下談話，突然悟出“領導模塊”就藏在墓中！不過他們在墓裏什麽也沒發現，直到壹塊石頭意外地在墻上砸了壹個洞，他們才看到藏在墻後的領導模塊！薩姆去夠模塊，模塊壹接觸到空氣就掉落在地上，薩姆從地上撿起模塊，放到襪子裏，準備去救活擎天柱。
軍艦和霸天虎幾乎同時抵達，聲波切斷了周圍的通訊，給軍艦指揮官錯誤的指令，讓他們坐在那裏白白的等。薩姆和米凱拉奔向擎天柱，途中遭到紅蜘蛛攻擊。這時墮落金剛出現了，他把自己傳送到了金子塔塔頂。另壹方面，海軍也覺察到不對勁，於是派出偵察飛機。
建造派合體成為大力神。威震天說他已經為墮落金剛找到了那個吸取太陽能量制造能量塊（Energon）的裝置，墮落金剛向他要領導模塊，因為沒有它裝置無法啟動。大力神爬上金字塔，摧毀金字塔，露出了裏面的裝置。西蒙斯意識到這就是那個吸取太陽能量的裝置，他用手機和軍艦取得聯系，叫他們準備好作戰，後者此時才知道自己被聲波耍了。
薩姆費好不容易來到擎天柱身邊，卻昏了過去，昏迷中他見到了“Primes”，他們跟他說了壹堆命運之類的話後，把領導模塊交給了他。薩姆醒來後發現領導模塊已經重組，變成了壹把短匕首狀的東西（預告片裏薩姆從地上撿起來的那個）。薩姆趕緊把模塊插入擎天柱胸膛，擎天柱復活了，但很虛弱。墮落金剛把自己傳送過來，搶走了模塊，回到金字塔頂。天火意識到他必須犧牲自己來幫助擎天柱，他貢獻出了自己的部分（合體？），安然去世，然後救護車也來幫助修理，最終擎天柱煥然壹新、重裝上陣。
威震天、紅蜘蛛、墮落金剛都在金字塔頂，西蒙斯指揮艦隊向大力神開炮，把大力神又打散了。能量塊裝置啟動了，擎天柱及時趕到，把裝置偏轉了方向，擊中了威震天和紅蜘蛛。墮落金剛自稱是“Prime”，擎天柱說他當初殺害自己弟兄們的時候就已經拋棄了自己的名字。擎天柱摧毀了裝置，用碎片砸向墮落金剛，威震天和紅蜘蛛則趁他們打作壹團時偷偷溜走了。
墮落金剛打開了壹個蟲洞準備逃走，擎天柱用領導模塊關閉了蟲洞，並重新打開壹個新的蟲洞把墮落金剛扔了進去，之後蟲洞就在壹道閃光中消失了，墮落金剛被永遠的關在了裏面。