与汽车人联手抵抗霸天虎侵略的那一场战役的两年后，山姆（希亚·拉博夫饰）准备迎接他人生中最大的挑战——离开家上大学。尽管当时他非常英勇，但那场战役已经变成了只有某些理论家们相信的都市传说。山姆还是一个青少年，因此每天他对于自己即将成为成年人而感到热望而兴奋。这是他第一次离开父母的身边，而且还要和女朋友米凯拉（梅根·福克斯饰）远距离恋爱，虽然如此，但山姆发誓绝对忠实于她。当然，他还要向他的守护汽车人大黄蜂解释他的大学之旅。

    离开家的感觉汽车人是最了解不过了。由于火种源立方体被破坏，变形金刚们无法回到自己的星球。因此，汽车人居住在地球，与名为“NEST”的最高机密部队的军队合作，在指挥官兰诺斯中校（乔什·杜哈明饰）和美国空军军士长爱普斯（泰瑞斯·吉布森饰）的带领下，寻找在隐藏在地球上的霸天虎剩余成员。不幸地，正当汽车人尝试在人类之间过新生活的时候，他们发现他们可能不会受到欢迎。

    国家安全局顾问西奥多·加洛威（约翰·本杰明·西基饰）千方百计地想将所有的变形金刚驱逐出地球并结束NEST部队，因为他相信汽车人的存在会对人类造成威胁。汽车人的领袖擎天柱同意离开地球，如果世界上所有政府都希望的话。但他提醒西奥多要考虑到如果汽车人离开，地球将会发生什么事。

    与此同时在学校那边，山姆遇见了拥有上进心的宅男型室友李奥（拉蒙·罗德里格兹饰）和相当具有诱惑力的校花爱丽丝（伊莎贝尔·卢卡斯饰），其实她是人形霸天虎。山姆尽自己最大的努力适应大学的生活，直到突然间他被雷电击中似的，眼前闪过一幕幕景象符号。霸天虎立即明白了山姆所不知道的事，那就是山姆掌握了左右这场与邪恶作战结果和正义方最终能量的关键。

    山姆正常人的生活就此打住，他注定了要再次卷入博派与狂派变形金刚的大战之中。在汽车人、NEST部队和以前是老对手的西蒙斯（已经解散的第七部门干员）的帮助下，山姆和米凯拉必须揭开变形金刚来到地球的秘密，同时所有参与战斗的每一位汽车人和人类战士都要做好牺牲的准备保护地球免受一位名为“堕落金刚”的古老霸天虎的复仇威胁。