影片讲述了一个名叫萨姆·维特维奇的少年，因一次的机缘巧合而被卷入了代表正义及英勇的汽车人和代表邪恶及奸诈的霸天虎之间的战争。而两者是来自同一个外来星球，但立场却相互对立的两派机械生命体，既可以变形成立即战斗的机械人，也可以变形成人类生活中各种常见的机械体。霸天虎一行人欲夺得火种源，因这种东西拥有赋予机器生命的力量；而且变形金刚也正是由火种源所创，霸天虎的首领威震天希望可以将其用来在地球上建立一个机器军团，而汽车人的首领擎天柱则要想方设法阻止对方。
19世纪初，北极圈内:ArchibaldWitwicky船长（维特维奇家族的先祖）在一次灾难中随着巨大的冰块落入深渊，落到了埋藏在冰层之下的一个机器人手掌上。船长醒来后发现机器人的眼睛正注视着他。而这台机器人正是很久以前离开塞伯坦，前往地球寻找火种源的威震天，威震天将揭示火种源下落的地图烧刻在船长的眼镜上。眼镜作为船长的遗物一代一代地传到了山姆的手里。
现代社会：中东卡塔尔的某个美国空军基地遭到了狂派战士眩晕，他将这个基地完全毁掉，而且还从一台计算机里获得了大量信息。此外，眩晕还释放了巨蝎怪\萨克巨人去追杀Lennox上尉和他的特别行动小队。Lennox上尉与五角大楼取得了联系，美国军方派遣一架战斗机暂时打退了狂派的小规模进攻。
山姆·维特维奇从汽车代理商手里买到了他的第一辆车，而这辆车恰恰是博派的大黄蜂。大黄蜂帮助山姆赢得了Mikaela的芳心。博派前来寻找Archibald 老船长的眼镜，他们被迫躲藏在山姆家的后院，因为凶恶的第七防区的特工突
然闯进了山姆的家。
为了追寻能量块，威震天来到了地球，在北极，他受到磁场的强干扰，意外被封冻于冰层之下。借助不慎跌入冰谷的科学家，威震天将有关能量块的信息扫描到科学家的眼镜上。威震天被美国军方秘密转移到位于胡佛大坝地下的秘密基地，这个秘密只有历任国防部长组成的7人军事小组知道。
“霸天虎”的先遣部队旋风和毒蝎袭击了美军位于卡塔尔的军事基地，变形金刚的再次出现引起了现任国防部长的警觉，他组织一批年轻的电脑高手开始搜寻“霸天虎”的行踪。与此同时，路障帮助他的搭档迷乱潜入了美国总统的座机空中一号，通过电脑获悉，要想找到威震天就必须找到维特威基家族的那副眼镜，而它的拥有者山姆由此成为了“霸天虎”攻击的目标。
山姆是一个生活并不如意的高中生，学校里没有人相信他讲述的关于这副眼镜的历史，失望之余，山姆把眼镜放到网上拍卖，然而从未引起买家的兴趣。这时父亲送了一辆破旧不堪的汽车给他，这辆车恰好就是“汽车人”大黄蜂的变形。载着山姆的大黄蜂帮助山姆交上了漂亮的女朋友，但很快就遭遇了“霸天虎”的袭击，擎天柱带着其他“汽车人”赶到，一场机器人大战由此拉开了序幕。
擎天柱告诉山姆，邪恶的威震天企图借助能量块的辐射能把地球上所有的东西都变成“霸天虎”部队的一员，由此打败“汽车人”，进而统治整个宇宙，而毁掉能量块的唯一办法就是将它插入两派变形金刚首领的心脏。作为坚决捍卫宇宙和平的汽车人的首领，擎天柱已经做好牺牲自己的准备。
狡猾的迷乱变成了山姆女友的手机，进入了胡佛大坝下面的秘密基地，在释放威震天的同时，也将这个情报发送回“霸天虎”的总部。红蜘蛛于是带着其他的“霸天虎”成员吵闹、袭击、路障、旋风等迅速赶往胡佛大坝，与威震天会合。紧要关头，大黄蜂也向擎天柱发出增援的信息，爵士、铁皮、救护车在擎天柱的带领下，准备与“霸天虎”展开一场大战。
在人类军队的配合下，山姆在千钧一发的关头将能量块插入了威震天的心脏，而爵士却在这场战役中不幸牺牲，山姆的好朋友大黄蜂也被重创。威震天的机械躯体被沉入海底，破损的能量块也回到了擎天柱的手中，然而故事却没有结束，临阵脱逃的红蜘蛛飞回了塞伯坦星球，他将和其他“霸天虎”重新集结，伺机重新杀回地球，与“汽车人”再战一场。（第1部）
第2部
山姆·维特维奇（希亚·拉博夫饰）成功阻止了“霸天虎”和“汽
车人”两派变形金刚的对决，拯救了全世界的两年后，他虽然被视为英雄人物，但是他还是一个青少年，对于即将要上大学这件事充满了焦虑，尤其是要离开他的女友米凯拉（梅根·福克斯饰）以及第一次离开他的父母。他也必须向留下来守护他的变形金刚“大黄蜂”解释，他不希望他跟他去大学，因为山姆只想要过一个平凡的大学生涯，但是他这么做，就必须抛开他的宿命。正当山姆想要尽可能把之前被卷入变形金刚大战的事件撤底忘记的同时，那场大战却造成了很多改变。第七区被政府关闭，而忠心耿耿的西蒙（约翰·特托罗饰）则被开除。一个被称为NEST的单位取代了第七区，他们利用兰诺斯中校（乔什·杜哈明饰）以及爱普斯（泰瑞斯·吉布森饰）曾经和“霸天虎”交过手的经验，和“汽车人”携手合作，避免“霸天虎”再次肆虐地球。只可惜短视的美国政府国家安全局顾问只想掌控美国所有的国防单位以及它们的力量，同时他认为NEST是无关紧要的单位，因为“霸天虎”不再构成威胁，所以打算关闭NEST。他认为人类不该卷入“汽车人”与“霸天虎”的纷争。
而当山姆好不容易甩掉一直对他碎碎念的父母，来到他的宿舍寝室时，却发现他的室友里奥（雷曼·罗德克里兹饰）除了是个疯计算机的宅男以外，也无所不用其极想要把大学的校花爱丽丝（伊莎贝尔·卢卡斯饰）。这时候山姆的脑海突然像被闪电击中一样，看到一幕一幕的影像从眼前闪过。他很怕自己像他的祖父一样发疯了，一开始死也不肯说出这个秘密，后来才发现出现在他脑海中的这些符号绝对不容忽视。这下子他原来打算过平凡生活的计划又泡汤了，山姆再度被卷入“汽车人”与“霸天虎”的大战，这次会影响整个宇宙的命运，而山姆却不知道，这场正邪之战的关键就掌握在他手中。但是靠着他的好友、他在NEST的战友，甚至靠着他的父母的帮忙，山姆终于接受维特维奇家族与生俱来的责任，不再逃避他必须承担的责任，也真正学会没有牺牲就没有胜利的意义
第3部
山姆大学毕业后和新女友卡莉住在华盛顿，他曾拯救过两次世界，所以有点适应不了正常人的生活，但他还是找了份工作，试着让自己安定下来。但卡莉并不了解山姆的苦闷，她为一个艺术品和汽车收藏家迪兰·古尔德工作，后者由帕特里克·德姆西饰演。与萨姆和卡莉住在一起的还有小变形金刚“转轮”和它的同类小机器人“Brain”。
与此同时，汽车人正与兰诺克斯少校一起在世界各地与人类的敌人——霸天虎作战。在一次与感知器的激战后，擎天柱发现一个属于一艘他们认为早已失踪的汽车人飞船的柱状物件。霸天虎仍然留在地球上，其首领威震天在上一次大战后现在很虚弱，但他仍在计划着什么。擎天柱对人类向他隐瞒实情很生气，尤其是对美国国家情报局局长夏洛特·米樱感到愤怒，原来多年前美国宇航员登陆月球就发现了坠毁的变形金刚汽车人飞船——“方舟号”（Ark）里的能量柱，但他们一直向世人和汽车人隐瞒。
擎天柱要求去月球一趟，他们很快就达到了那里，但没有察觉到有霸天虎尾随。在月球上，擎天柱一行人发现了“御天敌”（Sentinal Prime），他是汽车人的前任领袖，也是擎天柱的导师。汽车人把御天敌和他身边的5个能量柱带回了地球。
此时的山姆正被他的新老板折磨的焦头烂额，接着他被Jerry.wang认出是变形金刚的朋友，Jerry.wang试图告诉他霸天虎的阴谋，显然他也被迫参与了那个计划。不一会儿，激光鸟就结果了他。山姆赶紧跑去告诉汽车人，但被拦在秘密基地外面，尽管米樱局长很不情愿，但架不住别人的坚持，只好让山姆留下来旁观事态进展。
把御天敌和五个能量柱带回地球后，擎天柱用领导模块（The Matrix）重启了御天敌，之后又放回自己体内。原来，那些能量柱是“空间桥”的一部分，共有上百个，现在都不知散落何处。米樱局长开始赶山姆回家，山姆靠自己分析推导，得出霸天虎正在利用人类做什么，但没人听他的分析，于是他决定找退休探员西蒙（约翰·特特罗）帮他调查。卡莉很不高兴，她抱怨萨姆又想拯救世界了。两人吵了一场，分手了。卡莉一人去了老板迪兰的聚会。西蒙把过去的经历写成了一本畅销书，现在过得很惬意，但他还是很快答应了山姆的请求。两人先去找当年登月的宇航员，他们深信这些人一定知道内情，但都被政府下达了封嘴令。老宇航员们向萨姆他们展示了一些当年拍摄的月球背面照片，原来那里有许许多多的能量柱。萨姆立刻意识到霸天虎一直都知道“空间桥”的事情，他们是在利用擎天柱激活御天敌，因为御天敌是拼接空间桥的关键，他们得保护好他。中间，路霸(Roadbuster)、上旋(Topspin)和灌铅脚(Leadfoot跟博派进行了追逐站，铁皮和横炮成功解决他们。可御天敌叛变了，他杀死了铁皮，用腐蚀性酸枪把他熔化了，并带着能量柱跑了。原来，御天敌认为汽车人永远不可能取胜，所以他和威震天结盟，认为这样可以迅速实现和平。当初他开着飞船是要前往地球与威震天会面，但两人都遭到狡猾的红蜘蛛的伏击，一个撞到了月球，另一个栽在了北极。
现在御天敌与威震天又可以开始他们的宏图大计了，他们唤醒了埋伏在月球上的秘密霸天虎军队，把他们通过“空间桥”传送到地球。看到如此众多的霸天虎，人类放弃了，把怨气都撒到了汽车人头上，让他们立刻离开地球。汽车人无奈只好准备登上飞船。这时山姆前去迪兰家的聚会想与卡莉和好，谁曾想，在帮助霸天虎的人类中，迪兰是最大的头头。他绑架了卡莉，并逼山姆做间谍，提供汽车人的情报，看看他们是否在计划反攻，他还派了一个霸天虎机器人跟在山姆身边，记录山姆及其周围人的言行，如果山姆违抗，卡莉就会死。山姆去找了擎天柱和汽车人，问他们有何打算，擎天柱说他们没有打算，只会默默地离开，他们就这么走了，飞船在半空中被红蜘蛛打落，汽车人似乎已经全军覆没。山姆只好向转行到基地工作的前军官Epps求助，求他帮自己追踪迪兰、救出卡莉。经过一番跟踪，他们发现迪兰他们在芝加哥，于是萨姆还有Epps以及后者的军中战友一起也去了芝加哥。
芝加哥此时已经变成霸天虎的乐园，好在大部分的人类幸存者已经离开。正当Epps、萨姆他们认为没有希望的时候，汽车人突然出现！原来一切都是计划好的，他们在飞船爆炸前已经偷偷逃出了飞船。这时的御天敌和威震天正计划再次开启空间桥，这次，他们要把整个赛伯坦星球都传送到地球，让幸存的人类作他们的奴隶。汽车人救出了卡莉，但也牺牲了Wheeljack和Mirage这两位成员。他们想从远处摧毁空间桥，但是失败了。震荡波指挥它的宠物——钻探兽，让芝加哥高楼倒塌，一片狼藉。这时御天敌突然与威震天反目，说他不再为他工作，并把威震天推下高楼，虚弱的威震天倒下起不来了。
红蜘蛛抓到山姆想杀死他，山姆用钩射枪射中了红蜘蛛的眼睛，然后又把一枚炸弹固定在红蜘蛛的另一只眼，红蜘蛛遭受重创死亡。擎天柱与感知器激战，结束了其生命，之后擎天柱用感知器的激光武器摧毁了空间桥的主控柱。萨姆这时也找到了迪兰，与他扭打在一起。最后迪兰被空间桥主控柱的电流终结了生命。擎天柱开始与御天敌对打，这时赛伯坦星球已经开始传送过来了，擎天柱根本不是御天敌的对手。卡莉跑到威震天跟前，用激将法促使威震天帮助擎天柱和御天敌对打。御天敌受伤倒下,这时威震天激怒了擎天柱,结果擎天柱先出手杀掉了威震天,然后用威震天的枪杀了御天敌。在废墟上，萨姆和卡莉互相表白，一旁的大黄蜂做了齿轮戒指非要让萨姆求婚。
擎天柱的声音响起，他说，任何战争，风暴之中总会有停息。有一天，我们会失去信心；有一天，我们的战友会背叛我们……但我们永远不会抛弃这个星球和他的人民。我是擎天柱，我向全宇宙发去这条讯息——我们在这，我们到家了。
第4部
那一场轰动全人类的“芝加哥决战”的四年后，智能机器人汽车人与霸天虎已然从地球上销声匿迹，存活下来的人类也在大战之后开始了新生。凯德·耶格尔(马克·沃尔伯格饰)虽然失去了爱人，却有心爱的女儿特莎·耶格尔(妮可拉·佩尔茨饰)相伴。但愈发成熟的爱女却和老爸越来越难相处，甚至背着老爸寻找自己的情感寄托。而多年来执着于“旧货”的凯德，竟无意中“收留”了沉睡中的擎天柱。随着邪恶势力的再次临近，人类和他们曾经的盟友汽车人的平静日子终于再次被打破，而这一次不可避免的大战，显然比以往来得更加凶猛，霸天虎，以及来自古老的变形金刚阵营的威胁，正大踏步向着这颗渺小的星球逼近
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