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　萨姆（Sam）大学毕业后和新女友卡莉（Carly）住在华盛顿，他拯救过两次世界，所以有点适应不了普通人的生活，但他还是找了份工作，试图让自己安定下来。卡莉不了解萨姆的苦闷，她为一个艺术品和汽车收藏家迪兰·古尔德（Dylan Gould）工作，后者由帕特里克·德姆西（Patrick Dempsey）饰演。与萨姆和卡莉住在一起的还有小变形金刚“转轮”（Wheelie）和它的同类小机器人。
　　与此同时，汽车人正与Lennox上尉一起在世界各地与人类的威胁作战。变形金刚3在一次与震荡波（Shockwave）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（Megatron）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，尤其是对弗朗西斯·迈克道蒙（Frances McDormand）饰演的美国国家情报局局长夏洛特·米林（Charlott Mearing），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“方舟”，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”（Sentinel 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个柱状物带回了地球。
　　此时的萨姆正被他的新老板（约翰·马尔科维奇）折磨的焦头烂额，接着他被肯·郑（Ken Jeong）饰演的角色认出是变形金刚的朋友，肯·郑扮演的这个人试图告诉他霸天虎的阴谋，显然他也被迫参与了那个计划。但还没等他说出口，激光鸟（Laserbeak）就结果了他。
　　萨姆赶紧跑去告诉汽车人，但被拦在秘密基地外面，尽管米林局长很不情愿，但架不住别人的坚持，只好让萨姆留下来旁观事态进展。