Prolog:

Im Jahr 17000 vor Christus sind ein paar Menschen gerade dabei einen Tiger zu jagen, als sie eine völlig unerwartete Entdeckung machen.
Mitten im Nirgendwo treffen sie auf eine Gruppe Transformer, die ein riesiges Objekt zusammenbauen.
Der Anführer der Transformer ist ein riesiges, extrem fremdartig und bedrohlich aussehendes Exemplar. Als er die Menschen entdeckt, beseitigt er sie ohne zu zögern und ohne jede Gnade.

1.  Akt:

In der Gegenwart sind die Transformer längst keine Unbekannten mehr. Zwei Jahre, nachdem die Autobots Megatron und die meisten seiner Untergebenen besiegt haben, sind sie in eine geheime, militärische Einheit der USA namens NEST integriert, die einzig dazu dient, noch auf der Erde verbliebene Decepticons überall auf der Welt aufzuspüren und auszuschalten.
Und genau auf einem solchen Einsatz befindet sich die Einheit gerade.
Es dauert auch nicht lange, bis der Decepticon um den es geht, auf einer Baustelle in Shanghai entdeckt wird.
Er ist jedoch wesentlich größer als gedacht und macht es NEST nicht gerade leicht ihn zu stellen und auszuschalten.
Zu allem Überfluss taucht auch noch ein zweiter Decepticon auf, mit dem eigentlich niemand gerechnet hatte. Die Menschen und Autobots müssen sich aufteilen. Arcee und ihre beiden Schwestern Chromia und Flare-Up, sowie die Autobotzwillinge Skids und Mudflap nehmen die Verfolgung von Sideways auf, während sich Ironhide und die Menschen um den riesigen Demolishor kümmern. Jedenfalls versuchen sie es.
Tatsächlich erweisen sich beide Ziele jedoch als schwer fassbar.
Schließlich wird Sideways, nach einer kurzen aber spektakulären Verfolgungsjagd, von dem plötzlich auftauchenden Sideswipe in zwei Hälften zerschnitten. Demolishor jedoch richtet einigen Schaden an und kann erst von Optimus Prime, der aus einem Flugzeug abspringt um in das Geschehen einzugreifen, zu Fall gebracht werden. Kurz vor seinem Ende prophezeit er jedoch noch die baldige Auferstehung von jemandem namens Fallen.
Weder Optimus noch Ironhide können mit dem Begriff etwas anfangen, sehen jedoch düsteren Zeiten entgegen.

Unterdessen bereitet sich Sam Witwicky darauf vor, aufs College zu gehen.
Während er mit seiner Freundin Michaela telefoniert und gleichzeitig seine Sachen packt, findet er plötzlich einen Splitter des Allsparks, der an dem Hemd hängen geblieben war, das er zwei Jahre zuvor während der großen Schlacht in Detroit getragen hatte.
Als Sam den Splitter in die Hand nimmt, bekommt er einen Schlag und lässt ihn fallen. Der Splitter brennt sich sofort durch den Fußboden und fällt in die Küche, wo er einen Energieimpuls auslöst. Als Resultat fängt die Küchenausstattung an sich zu transformieren.
Die kleinen, koboldartigen Transformer haben es auch sogleich auf Sam abgesehen und richten ein ziemliches Chaos an. Erst als Sam nach seinem Autobotbeschützer Bumblebee ruft, können die wandelnden Küchengeräte schließlich gestoppt werden. Allerdings hat Bumblebee bei seiner „Rettungsaktion“ das halbe Haus in eine Ruine verwandelt.
In der Garage bringt Sam seinem Freund schließlich bei, dass er ihn nicht mit zur Uni nehmen wird und er von jetzt an ein normales Leben führen möchte.

Währenddessen treffen die Autobots auf der NEST Basis ein, wo sich hoher Besuch in Form eines Abgesandten von Präsident Obama ankündigt.
Der gute Mann macht dann auch gleich Probleme, als er de Autobots für die Verwüstung von Shanghai verantwortlich macht. Er stellt den Transformern in Aussicht, die Erde bald verlassen zu müssen, in der Annahme, die Decepticons würden dann auch verschwinden.
Im Laufe seiner Ausführungen erwähnt er auch den Aufbewahrungsort des ersten Allsparksplitters und auch den von Megatrons Leichnahm.
Was niemand ahnt ist, dass das Gespräch mitgehört wird.
Der Decepticon Soundwave hat sich im Orbit in einen Satteliten eingehackt und hat alles mitbekommen. Er schickt seinen Untergebenen Ravage auf den Weg, um den Splitter zu stehlen. Eine Mission, die der Katzenartige Decepticon auch problemlos ausführt.

Auf der Uni lernt Sam derweil seinen Mitbewohner Leo und ein Mädchen namens Alice kennen. Die Superblondine macht dann auch keinen Hehl aus ihren Absichten. Offenbar ist sie an Sam interessiert. Sam hat allerdings andere Probleme.
Seit dem Kontakt mit dem zweiten Allsparksplitter hat er immer wieder Visionen von merkwürdigen Zeichen und Symbolen. Außerdem hat er auf einmal die Fähigkeit rasend schnell zu lesen und bekommt ein tiefgehendes Verständnis für Physik. Dadurch verursacht er nicht nur ein Chaos in einer Vorlesung, sondern fällt auch auf einer Party unangenehm auf. Von dieser will ihn Bumblebee auch gleich wegholen, da Optimus auf einem Treffen der Beiden besteht. Alice hakt sich jedoch ein und will Sam verführen, was Bumblebee nur mit Mühe unterbinden kann.
Bei dem Treffen fragt Optimus Sam nach seiner Hilfe. Sam möchte aber eigentlich nicht weiter in die Angelegenheiten der Transformer verwickelt werden.

Der zweite Splitter, den Sam Michaela zur Aufbewahrung gegeben hatte, wird in der Zwischenzeit von Wheelie, einem winzigen Decepticon, aufgespürt. Der Tollpatsch versucht den Splitter zu stehlen, wird aber von Michaela erwischt und kurzerhand in eine Kiste gesperrt. In anbetracht der neuen Entwicklungen und Sams Schwierigkeiten, beschließt Michaela ihren Freund an der Uni zu besuchen.

Am Marianengraben, wo Megatrons Körper im Meer versenkt wurde, werden unterdessen die Decepticons aktiv.
Mit Hilfe des gestohlenen Allsparksplitters schaffen sie es, Megatron zu reaktivieren.
Der Anführer der Decepticons macht sich auch gleich auf den Weg zu einem, offenbar auf dem Mars abgestürzten Raumschiff der Decepticons. Dort trifft er nicht nur auf Starscream, sondern auch auf den unheimlichen Transformer, der beim Bau der Maschine vor Tausenden von Jahren dabei war. Es handelt sich dabei tatsächlich um seinen Meister, Fallen.
Dieser beauftragt seinen Schüler Megatron damit, Sam zu fangen und ihm die Symbole zu entlocken, die ihn zur Matrix führen sollen.
Da, laut eigener Aussage, nur ein Prime Fallen besiegen kann, sieht der Urdecepticon seine Pläne nicht weiter gefährdet.

An der Uni macht sich Alice derweil weiter an Sam ran. Diesmal lässt sie ihm kaum eine Chance. Allerdings platzt Michaela in diesem Augenblick herein. Wie sich herausstellt ist Alice in Wahrheit in Decepticon, ein sogenannter Pretender, und wollte sich nur an Sam heranmachen, um seiner Geheimnisse habhaft zu werden.
Nach einer wilden Verfolgungsjagd quer über den Campus, in die auch Sams Mitbewohner Leo verwickelt wird, schaffen die drei es schließlich Alice zu zerstören.
Dafür werden sie allerdings von Grindor einem Hubschrauberdecepticon entführt und zu Megatron gebracht.
Er will immer noch die Informationen aus Sams Kopf. Bevor die Decepticons Sam jedoch ernsthaft verletzen können, greifen die Autobots an und versuchen die drei Menschen zu befreien. Es kommt zu einem Kampf zwischen Optimus Prime, Megatron, Starscream und Grindor, in dessen Verlauf Optimus Grindor töten kann, schließlich aber wiederum von Megatron getötet wird. Sam schafft es gerade noch so mit den anderen zu entkommen.

2. Akt

Die Decepticons beginnen einen Großangriff auf die Erde. Ein Flugzeugträger wird versenkt und die Angreifer tauchen überall auf der Erde auf.
Immer noch ist es ihr Ziel, an die Daten in Sams Kopf zu kommen. Daher klinken sich die Decepticons in die Fernsehsignale ein und geben eine Suchmeldung aus, zusammen mit der Drohung, dass eine Weigerung ausgesprochen negative Folgen hätte. Sam, Michaela und Leo müssen sich verstecken.

Auf der NEST Basis werden die verbliebenen Autobots derweil festgesetzt. Selbst Major Lennox, kommandierender Offizier von NEST, kann sich gegen den Abgesandten des Präsidenten nicht durchsetzen.
Obgleich es den Autobots ein Leichtes wäre, sich zu widersetzen, beschließen sie schließlich sich vorerst zu fügen.

Sam und die anderen machen sich schließlich daran, dem Geheimnis der Daten in Sams Kopf auf die Spur zu kommen. Leo kommt auf die Idee, sich an den geheimnisvollen „Robowarrior“ zu wenden, seinen größten Konkurrenten im Internet und Betreiber einer Website, auf der er glaubt, die Zeichen, die Sam im Kopf herumspuken, schon einmal gesehen zu haben.
Wie sich herausstellt, verbirgt sich hinter „Robowarrior“ der frühe Agent Simmons, der mittlerweile bei seiner Mutter lebt und im familieneigenen Delikatessengeschäft arbeitet.
Tatsächlich kennt Simmons die cybertronischen Zeichen. Sie sind im Laufe der Zeit überall auf der Welt gefunden worden, was seiner Meinung nach beweist, dass die Transformer schon wesentlich früher auf der Erde gewesen sind, als bisher angenommen.
Weder Bumblebee noch Skids oder Mudflap können die merkwürdige Schrift lesen, aber Wheelie, den Michaela immer noch in ihrer Tasche mit sich herumträgt, kann die Symbole als die Sprache der Primes identifizieren. Seiner Meinung nach können nur die Sucher, eine Gruppe Transformer, die vor längerer Zeit mit einer bestimmten Mission zur Erde gekommen sind, weiterhelfen. Er verrät den Menschen die Position der alten Transformer.
Sie entscheiden sich für einen Sucher, der sich im Smithsonian National Air and Space Museum in Washington versteckt hält.

Sie schaffen es Jetfire, so der Name des Suchers, zu reaktivieren. Zum Entsetzen aller, stellt sich Jetfire jedoch als Decepticon heraus. Allerdings als ein sehr untypischer Decepticon, denn Jetfire ist uralt und zeigt auch alle typischen Alterserscheinungen.
Wie sich herausstellt, ist Jetfire schon vor langer Zeit zu den Autobots übergelaufen und kann auch dazu überredet werden, seinen Besuchern zu helfen.
In den Daten geht es um das sogenannte Grabmal der Primes. Jetfire erzählt von der Geschichte der Transformer. Ursprünglich gab es nur wenige Transformer und die ersten von ihnen waren die Primes. Um zu überleben benötigen Transformer Energon, und das ernteten sie, in dem sie Sonnen zerstörten. Allerdings gab es die Regel, niemals ein bewohntes System zu zerstören. Einer der Primes widersetzte sich aber dieser Regel und bekämpfte seine Brüder. Aus ihm wurde Fallen.
Um ihn aufzuhalten opferten sich seine Brüder und versteckten den Aktivierungsschlüssel zur Erntevorrichtung, die Matrix in ihrem eigenem Grabmal.
Um die Sache voranzutreiben, teleportiert Jetfire mit allen Anwesenden kurzerhand nach Ägypten, wo sich offenbar besagtes Grabmal befinden soll.
Tatsächlich können Sam und die anderen es in Jordanien finden. Sie finden auch die Matrix, mit der Sam Optimus wieder zum Leben erwecken will. Allerdings zerfällt die Matrix zu Staub, als Sam sie berührt. Er will aber nicht aufgeben und sammelt den Staub in seinem Socken.
Simmons kontaktiert Lennox um die Autobots und Optimus Leichnam nach Ägypten zu bringen, denn dort befindet sich der Sonnenzerstörer, versteckt in der Cheopspyramide.
Aber auch die Decepticons treten auf den Plan.
Es kommt zu einer gewaltigen Schlacht, bei der auch Devastator, einer gewaltiger Decepticon, der sich aus mehreren Fahrzeugen zusammensetzt, eingreift, und die Pyramide einreißt, um den darin versteckten Mechanismus freizulegen.
Nur knapp schaffen es Sam und Michaela, sich durch das Kampfgeschehen zu schlagen. Aber kurz bevor Sam Optimus erreichen kann, wird er von Megatron getroffen und getötet.
Allerdings driftet sein Geist in eine Art Scheinwelt ab, in der er auf die verstorbenen Primes trifft, die ihm schließlich die Matrix anvertrauen.
Sam erwacht wieder zum Leben und die Matrix setzt sich aus dem Staub wieder zusammen.
Darauf rammt Sam Optimus die Matrix in die Brust und kann ihn damit tatsächlich wieder zum Leben erwecken.
Damit ist der Kampf aber noch nicht gewonnen, auch wenn die Autobots und die Menschen mittlerweile die Oberhand gewinnen konnten.
Fallen taucht auf und erweist sich als übermächtiger Gegner.
Jetfire, der im Kampf helfen wollte, aber schwerste Verletzungen davongetragen hat, beschließt sich zu opfern und Optimus mit seinen Teilen aufzuwerten, um ihm damit eine unglaubliche Kampfkraft zu verleihen.
Und tatsächlich sind jetzt weder Megatron noch Fallen noch ernstzunehmende Gegner für Optimus Prime.
Megatron kann mit Starscreams Hilfe entkommen, Fallen jedoch wird von Optimus getötet und der Sonnenzerstörer vernichtet.
Die Erde ist gerettet und die Decepticons haben eine schwere Niederlage erlitten.

Epilog

Sam und Optimus stehen an Bord eines Flugzeugträgers und befinden sich auf der Heimfahrt in die Vereinigten Staaten.
Beide blicken hoffnungsvoll in eine gemeinsame Zukunft für Menschen und Autobots.