以下、本作品のネタバレ注意
あらすじ
金属生命体トランスフォーマーの住む惑星サイバトロンにて善の軍団オートボットと悪の軍団ディセプティコンの戦争が勃発、数で勝るディセプティコンの前にオートボットは敗北寸前まで追い詰められ、サイバトロンは荒廃していった。戦争の終盤、一隻のオートボットの宇宙船がサイバトロンを脱出しようと飛び立ったが、その船もまたディセプティコンの攻撃により大破、宇宙の彼方に消えた。
1969年、アポロ11号による人類初の月面到達が達成された。しかし、通信の途絶えた21分間にはもう一つの計画が隠されていた。それは月の裏側（ダークサイド）に墜落した謎の宇宙船の調査であった。調査の結果、それがエイリアンのものであること、そのエイリアンが金属でできた生命体であることは証明されたが、真実は闇に葬り去られた。
それから約40年後、旧ソ連がサイバトロン星の事柄に関わっていたとされる情報を入手したオートボットとNESTはチェルノブイリで調査を行い謎の物体を発見するが、直後にディセプティコンのショックウェーブとドリラーの襲撃に遭う。ショックウェーブが奪おうとしたものが、かつてサイバトロンからの脱出に失敗したはずの宇宙船アークのエンジンであると気づいたオプティマスは月にアークと伝説の戦士センチネルプライムが眠っている事を知り、自ら月へ赴いてアークからセンチネルを救出した。
一方、オートボット達と2度も地球を守り抜いたサム・ウィトウィッキーは新しいガールフレンドのカーリー・スペンサーと同居しながらワシントンで暮らしていた。マトリクスを巡る戦いでFBIに指名手配されたことが影響し、大学卒業後も就職先が決まらずに鬱屈した日々を送っていたものの、カーリーの上司ディラン・グルードの推薦で宇宙開発事業に携わるアキュレッタ・システムズ社に資料運搬係として入社が決まった。しかし、同僚のジェリー・ワンがアメリカの宇宙開発計画中止の事実に関わる情報をサムに託した直後にディセプティコンのレーザービークに殺され、サム自身もまたディセプティコンに襲われる羽目になる。
NEST基地では仮死状態のセンチネルをオプティマスがマトリクスで蘇生させ、二人は再会を果たす。そしてセンチネルの話から彼が開発したという物質転送システム「スペースブリッジ」と、それを起動させる数百本の「柱」の存在が明らかとなる。一方サムは盟友シーモア・シモンズと共に独自にアポロ計画について調査を始め、ディセプティコンが既にスペースブリッジの大半を回収していた事を知り、センチネルの護衛を要請する。オートボットは総出でセンチネルを守り通すが、突如センチネルは仲間のアイアンハイドを殺害、NESTが保管していた最後の柱とコントローラーを奪って逃走する。実はセンチネルは、脱出するよりも前に、サイバトロン星復活のためにメガトロンと密約を交わしていた。
その夜、センチネルはスペースブリッジで地球と月を繋ぎ、それを通じて月の裏側に潜んでいた数百ものディセプティコンの軍団が地球へと侵入する。さらにサムも親の代からディセプティコンと結託していたディランの策略でカーリーを人質に取られ、オートボットの出方を探るためのスパイに仕立て上げられてしまう。
その後、センチネルは人類に対して侵略行為を行わない条件としてオートボットの永久追放を要求、人類もそれに応じたためオートボットは地球を離れる事になるが、それはディセプティコンの罠であり、オートボットの船は空へ飛び立ったところをスタースクリームの急襲を受け撃墜されてしまった。しかもディセプティコンは人類との約束を反故にし、大艦隊を率いてシカゴを占拠。ディセプティコンの本当の目的は地球を植民地化し、サイバトロン星復興の労働力として人類を隷属させる事であり、サイバトロン星転送のための準備が始まる。
一人残されたサムはカーリー救出のためエップス達と共にシカゴに向かうが、既にシカゴは崩壊寸前で、ディセプティコンの包囲網に行く手を阻まれる。だがそこへ船から脱出していたオートボットが現れ、合流を果たす。サムとバンブルビーは鹵獲したディセプティコンの戦闘機に乗ってディランの手からカーリーを救い出した。そしてカーリーの話からディセプティコンの目的を知ったオートボットとサム達はコントローラーを破壊すべくシカゴへと突入する。
オートボットとサム達はディセプティコンの妨害をかいくぐり、遂にセンチネルの元へ辿り着いたが、センチネルは柱を起動させサイバトロン星転送を強行、それを止めようとするオプティマスとセンチネルの間で激しい戦いが繰り広げられる。オートボットとディセプティコン、さらにNEST本隊が入り交じっての大激戦の末、コントローラーが破壊された事でサイバトロン星は地球の空から消え去った。オプティマスはセンチネルによって追い詰められていたが、センチネルはカーリーに唆されたメガトロンの離反に遭い状況は逆転。オプティマスは最後の力を振り絞ってメガトロンとセンチネルを討伐した。戦闘は終結し、オプティマスは地球との絆を再確認するのであった。
