Năm 1961, Tàu Ark - một tàu Cybertronian chở Sentinel Prime - phát minh có khả năng kết thúc cuộc chiến tranh giữa Autobots và Decepticons bị "rớt" xuống vùng tối của Mặt Trăng. Tai nạn được NASA quan sát thấy từ Trái Đất. Tổng thống Kennedy ủy quyền một nhiệm vụ điều tra nấp dưới vỏ bọc đưa con người lên Mặt Trăng. Năm 1969, phi hành đoàn của Apollo 11 đã đặt chân lên vùng tối của Mặt Trăng. Trong đoạn này, một phi hành gia sau khi đạp bước chân đầu tiên của con người lên Mặt Trăng đã nói: "Đây là bước đi nhỏ bé của một người, nhưng là bước tiến khổng lồ của nhân loại" – câu nói bất hủ của Neil Armstrong. Hiện tại, các Autobots hỗ trợ quân đội Hoa Kỳ trong việc ngăn ngừa các xung đột trên phạm vi toàn cầu. Trong một nhiệm vụ ở Chernobyl (để điều tra công nghệ của người ngoài hành tinh), Optimus Prime đã tìm thấy một tế bào nhiên liệu từ tàu Ark và phát hiện ra rằng nó đã tồn tại qua cuộc hành trình từ Cybertron. Sau đó, các Autobots đã bị Shockwave tấn công nhằm tẩu thoát. Sau khi kết thúc nhiệm vụ bí mật trên Mặt Trăng, các Autobots đã quay lại để khám phá tàu Ark. Họ phát hiện ra Sentinel Prime(nhà lãnh đạo của các Autobots trước đây) đang hôn mê, và ông đã tạo những trụ cột - một phương tiện để thiết lập một cầu không gian giữa hai điểm dịch chuyển.Sau khi trở về Trái Đất, Optimus sử dụng năng lượng của mình để làm sống lại Sentinel Prime.

Trong khi đó, Sam Witwicky đang cảm thấy thất vọng vì anh không thể phối hợp với Autobots và chưa tìm được việc làm. Anh cũng ghen tị với mối quan hệ gần gũi giữa bạn gái mới của mình là Carly Spencer và ông chủ của cô là Dylan Gould. Khi tìm được việc làm, Sam được Jerry Wang cung cấp thông tin về Ark. Trước khi Jerry bị Decepticon Laserbeak ám sát. Sam liên lạc với Seymour Simmons, và họ nhận ra rằng Decepticons và lãnh đạo của họ Megatron đang cố gắng giết người kết nối thông tin với nhiệm thám hiểm tàu Ark của Nga và Mỹ. Họ xác định vị trí 2 phi hành gia may mắn sống sót của Nga, 2 người này đã thấy hình ảnh của hàng trăm trụ cột ở trên Mặt Trăng thông qua vệ tinh. Sam nhận ra rằng Decepticons đột kích Ark trước khi nhiệm vụ của Autobots cố ý bỏ lại Sentinel cùng năm trụ cột ở lại để lừa các Autobots vào một cái bẫy. Sentinel là chìa khóa để kích hoạt các trụ cột và Decepticons không có phương tiện để làm ông sống lại. Các Autobots vội vàng trở lại căn cứ của họ để bảo vệ Sentinel nhưng Sentinel phản bội họ và giết chết Ironhide, ông đã thực hiện một thỏa thuận với Megatron để đảm bảo sự tồn tại của các chủng tộc Cybertronian.

Sentinel sử dụng các trụ cột để vận chuyển hàng trăm robot Decepticons từ Mặt Trăng đến Trái Đất, Carly bị Gould bắt khi cô bắt gặp Gould đang làm việc cho Deceptions. Sam đến cứu Carly cũng bị bắt, phải làm kẻ dò la về kế hoạch phục thù của Autobots bằng cách để con robot nhện – đồng hồ đeo tay "sống" (giống như đeo đồng hồ) trên cánh tay của Sam, nếu cậu ta có ý chống đối thì ngay lập tức sẽ bị hành hạ bởi cơn đau dữ dội từ tên nhện – đồng hồ đeo tay. Tuy nhiên, có vẻ các Autobots đã biết được việc Sam bị bắt làm kẻ gián điệp bất đắc dĩ nên họ đã không tiết lộ bất cứ chuyện gì, thậm chí đánh trống lảng hoặc chuyển sang "Anh mãi là bạn của chúng tôi" khi Sam hỏi về kế hoạch phục thù. Các Autobots bị trục xuất khỏi Trái Đất để tránh chiến tranh, nhưng khi tàu của họ mới vừa khởi hành thì đã bị Starscream - Phó tướng của Megatron – bắn nổ và dường như họ đã chết (thực ra họ đã biết trước kế hoạch này nên họ đã trốn ở dưới bệ phóng phi thuyền). Megatron và Sentinel chỉ huy Decepticons lấy Chicago là trụ sở của họ trên Trái Đất. Gould để lộ với Carly rằng kế hoạch của Decepticons là vận chuyển hành tinh mẹ của họ là Cybertron đến dải ngân hà, sau đó nô lệ hóa nhân loại và sử dụng tài nguyên của Trái Đất để xây dựng lại thế giới của họ. Sam cùng với đội trưởng Không quân Hoa Kỳ - Robert Epps, đi vào Chicago để cứu Carly, nhưng thất bại thảm hại và có nguy cơ bị tiêu diệt khi đối đầu với lực lượng Decepticon, trước khi các Autobots đến hỗ trợ.

Các Autobots và quân đội loài người đoàn kết với nhau để cố gắng để giải cứu Carly và tiêu diệt Laserbeak, Soundwave, Barricade, Starscream, và Shockwave. Optimus đã sử dụng khẩu súng ở cánh tay của Shockwave phá nổ Cột kiểm soát, vô hiệu hóa cầu không gian. Sam tấn công Gould khi hắn đang cố gắng kích hoạt lại trụ điều khiển, anh đã đẩy được hắn vào trụ và hắn bị điện giật chết. Bumblebee và Ratchet đến và phá hủy trụ điều khiển, làm cho cây cầu ngừng hoạt động và khiến cho phần Cybertron đã được di chuyển đến Hệ mặt trời bị nổ. Sau đó, khi Optimus và Sentinel đang chiến đấu trực diện thì Carly đến "khích" Megatron rằng Megatron đã không còn đứng đầu Deception nữa mà đã bị Sentinel chiếm quyền. Và khi Sentinel đã chặt cánh tay phải của Optimus thì Megatron tấn công Sentinel và bắn hắn, Optimus lấy đầu Megatron và ông nói với Sentinel rằng:"Ông không phản bội tôi, nhưng ông đã phản bội chính mình" rồi bắn chết Sentinel. Từ đó, Sam và Carly đoàn tụ và Trái Đất trở thành ngôi nhà của các Autobots.