芝加哥大戰四年後，由於大戰帶來的災難性後果使汽車人與人類之間的聯盟被打破，在變形金剛賞金獵人禁閉的幫助下，美國中央情報局組建了壹支名為“墓風”的部隊四處獵殺變形金剛——無論汽車人還是霸天虎。為求自保，汽車人不得不隱遁身形，從地球上銷聲匿跡。
商業大亨約書華·喬伊斯的科技公司KSI通過中情局特工哈洛德·亞汀傑，獲取了變形金剛的遺骸，並發掘出變形金剛的基因奧秘——壹種名為”Transformiun“的不穩定元素，利用這些元素和威震天頭部殘骸中獲取的數據，KSI成功地創造了人造金剛驚破天。[2]
在得克薩斯州，破落的機器人發明家凱德·伊格和他的朋友盧卡斯·弗蘭納裏花250美金買回了壹輛舊卡車頭，希望把它當廢鐵拆開來賣了，好供凱德的女兒泰莎上大學，然而，凱德卻意外地發現，那輛卡車其實是處於睡眠狀態的擎天柱。
凱德本打算研究擎天柱的構造，之後再轉交中情局換賞金，卻不慎在修復的過程中將他喚醒，出於同情，凱德伸出援手，幫助修復身負重傷的擎天柱。與此同時，偵測到擎天柱行蹤的“墓風”小隊不請自到，闖入伊格農場，領頭特工詹姆斯·薩沃伊用槍抵住泰莎的頭來威脅凱德，要他說出擎天柱的下落，擎天柱不忍泰莎為自己送命，現身攻擊“墓風”小隊，為凱德壹家制造脫逃機會。泰莎的秘密男友——職業賽車手肖恩·戴森駕車救下三人，並甩脫墓風小隊的追擊，不幸的是，在逃脫過程中盧卡斯被禁閉的手榴彈炸死。
凱德俘獲壹架無人機，發現了被俘虜的汽車人的悲慘遭遇，以及“墓風”部隊與KSI之間藕斷絲連的關系，擎天柱與剩余汽車人匯合，在新的人類夥伴陪同下滲透進KSI位於芝加哥的總部大樓。
進入KSI實驗室後，凱德、肖恩和大黃蜂發現這裏的實驗人員正在逆轉變形金剛的技術，將他們的遺體肢解、融化，制造成人造金剛。見此非人場景，憤怒的擎天柱率領壹眾汽車人突入實驗室，救出被迫為KSI破解數據的腦腦，擎天柱質問現身的約書亞為何做出如此殘暴的舉動，但約書亞卻說這壹切都是為了科技，無論擎天柱怎樣阻擋也逆轉不了這壹潮流，而他的所作所為只是壹個開端，面對如此固執的人類，擎天柱只能率隊離開。
汽車人壹離開實驗室，約書亞便下令啟動KSI的人造金剛驚破天和毒刺追擊，但驚破天似乎並不完全受人類的控制，在公路上與擎天柱大戰壹場，擎天柱意識到人造金剛驚破天受到威震天的感染，已經變成了他的新身體。禁閉乘著擎天柱專註於驚破天時偷襲了他，並在混亂之中俘虜了擎天柱和泰莎。
在禁閉的飛船上，禁閉告訴身處囚牢的擎天柱：變形金剛其實他們是被稱為“造物主”的神秘外星種族制造出來的，而汽車人和霸天虎在宇宙中的大戰令“造物主”不滿，便雇傭他追捕汽車人首領。
作為幫助抓捕擎天柱的獎勵，禁閉將“種子”——壹種能將有機物轉化為”Transformiun“的炸彈——交給了“墓風”部隊幕後推手哈洛德。與此同時，大黃蜂、探長、漂移、準線、凱德、肖恩壹起溜上了禁閉的飛船，救出擎天柱和泰莎，在飛船進入太空之前偷走了救生艇附帶上面裝載的武器收藏與古代變形金剛——騎士，前去尋找“種子”的下落。
約書華和工作夥伴蘇月明、達茜·泰莉撤至北京，在那裏，亞汀傑用種子換取了KSI的五百萬股份，但其實約書華之前接到過來自凱德的壹通電話，開始後悔自己的所作所為，此刻心裏正猶豫不決。驚破天突然失控，附帶感染了五十臺人造金剛原型，大鬧KSI工廠，見到自己原本為了“創造美好未來”的作品變成戰爭機器，約書華終於下定決心背叛亞汀傑，和蘇月明壹同將“種子”轉移至香港。
“墓風”、霸天虎均想搶奪“種子”，在香港的爭奪大戰終於開始。
在汽車人裝載“種子”的時候，飛船被禁閉的壹顆炮彈擊中墜落，留在地面上的探針和大黃蜂試圖保護約書華等人，但因與霸天虎之間實力懸殊而節節敗退，擎天柱喚醒飛船中的“傳奇騎士”機器恐龍——鋼索、嘲笑、掃射、鐵塊，帶領他們返回城市摧毀驚破天的軍隊。
禁閉發覺擎天柱逃跑，便重返地球，使用巨大的磁力武器吸附城市中的所有金屬，試圖以此重新捕獲擎天柱。擎天柱摧毀了武器並和禁閉單獨決鬥，戰鬥中，擎天柱不慎被禁閉刺穿胸膛，釘在了墻上，就在危急關頭，凱德、大黃蜂前來助陣，分散禁閉的註意。肖恩、泰莎用拖車幫助擎天柱脫困。最終擎天柱消滅了禁閉，並用禁閉的炸彈把人造金剛統統炸光。
但卻沒能抓住驚破天——最後他乘機占據了禁閉的飛船，打算和擎天柱改日再戰。
擎天柱向汽車人和伊格壹家告別
大戰結束，擎天柱將伊格壹家平安地轉交給香港警方，並讓機器恐龍重獲自由，而他自己則打算將“種子”永遠地藏起來，臨行前，凱德問他彼此之間是否還有機會再見面，擎天柱回答說他不知道，並叮囑汽車人照顧好這壹家人，然後便帶著“種子”飛向遙遠的太空，同時向“造物主”發送了壹條信息：不要打地球的主意，否則他永遠不會放過“造物主”們