트랜스포머들은 선사시대부터 지구상에 공존하고 있었습니다. 물론 이때엔 자동차 다위로 변신하지 않았고 종족 자체도 지금의 그들과 조금 다른 것 같습니다. 이들은 거대한 기계 장치를 통해 태양과 같은 별의 에너지를 추출하여 생명의 원천으로 삼았는데 그래도 '생명체가 있는 별은 까지 않는다'는 원칙이 있어서 지구에선 작업을 포기하려합니다. 그중 지도자 급인 '프라임'들이 있었는데 그 중 하나가 '폴른'이며 폴른은 타고난 사악함으로 다른 생명체따위 상관없어를 부르짖으며 문제의 장치를 가동시키려 합니다. 그리하야 지구에 살던 로봇 종족은 둘로 나뉘어 싸우게 되고 폴론을 임시로 추방시킨 '프라임'들은 자신들의 몸을 희생한 보호막으로 에너지추출장치의 동력원이자 올스파크에 버금가는 힘의 원천인 매트릭스를 지구 어딘가에 봉인합니다.

다시 현재로 돌아와 스타스크림을 비롯한 디셉티콘들은 폴론의 사주하에 매트릭스를 찾아 다니고 그 단서는 전편에 파괴된 올스파크(큐브)에 들어 있습니다. 샘은 전편의 사건 당시 입고있던 옷에 남은 올스파크 조각을 통해 고대의 지식을 부여받게 되고 그 사실을 알게 된 디셉티콘들은 샘을 추격하기 시작합니다.

오토봇들은 미국들과 연합하여 디셉티콘의 공격을 저지하고 있는데 정부 내에서는 그 사이 분열이 일어납니다. 오토봇을 지지하는 측과, 그들이 작전을 수행하며 벌어지는 파괴 행위에 대해 불만을 가지며 디셉티콘의 공격 목표가 사실은 단지 오토봇일 뿐이라며 그들에게 지구를 떠나라고 요청하는 측이 있습니다.

이 와중에 전편에 죽은 메가트론이 부활하는데 역시나 군(미군내에 조직된 대디셉티콘 조직)에서 보관중인 올스파크의 힘을 통해서입니다.

샘은 대학에 합격하고 미카엘라는 출감한 아버지와 모터샵을 운영합니다. 덕분에 둘은 장거리연애를 하게 생겼습니다. 부모님은 샘을 출가시키고 해외여행을 계획하고 있으며 신입생 자가용 불허라는 기숙사 정책 탓에 샘은 범블비에게 가디언으로서의 임무는 끝났다고 얘기합니다.

기숙사 들어가는 날 샘을 따라온 엄마는 마약이 들어간 케익을 먹고 주책을 부리고 샘의 룸메이트는 인터넷 사업을 계획중인 괴짜로 트랜스포머와 관련된 음모설을 캐고 있는 레오라는 녀석입니다. 올스파크 조각에 노출된 이후 샘은 수시로 처음보는 도형들의 환영에 시달리는 동시에 섹시한 여학생에게 계속해서 대쉬를 받기도 합니다.

샘은 옷에서 발견한 올스파크 조각을 미카엘라에게 맡겨 두었는데 디셉티콘 소형 로봇 하나가 그것을 훔치러 왔다가 미카엘라에게 생포당하고 그녀는 생포한 로봇과 올스파크 조각을 가지고 샘의 학교로 향합니다. 그녀가 도착한 순간 샘은 계속 대쉬하던 여학생의 공세에 키스를 하던 중이었는데 알고보니 이 여학생은 인간으로 변신하는 트랜스포머였고 샘과 미카엘라 그리고 엉겁결에 얽힌 레오는 함께 도망을 치게 되는데 결국 디셉티콘 무리에게 잡히게 되고 이들이 샘의 머리속을 '직접' 열어보려는 찰라 옵티머스가 등장 구출을 시도합니다.

옵티머스는 샘을 피신시키기 위해 메가트론을 포함한 세개의 디셉티콘과 대결을 벌이게 되고 오토봇 지원세력이 도착하기 직전 결국 옵티머스는 머릿수에 밀려 장렬히 전사하고 맙니다. 유일한 천적이었던 프라임들의 후손 옵티머스의 죽음을 인지한 폴른은 이제 인간들과의 전면전을 선포하고 샘을 내놓지 않으면 인류를 멸망시키겠다고 엄포를 놓습니다. 정부 역시 샘과 일행을 수배하기 시작하고 디셉티콘과 대항하던 특수부대 역시 해체명령이 내려옵니다. 반오토봇측 인사는 그들에게 지구를 떠나라고 요청합니다.

도망자 신세가 된 샘은 자신이 보는 환영을 해석할 사람을 찾게 되고 레오는 인터넷상에서 트랜스포머 전문가로 알려진 '로보 워리어'를 찾아가자고 하는데 알고보니 로보워리어는 전편에서 섹터7 소속이던 시몬스 요원이었습니다. 그는 섹터7의 조사결과를 통해 인류와 트랜스포머의 역사가 매우 오래되었음을 알려주고 문자를 해석하기 위해선 그들의 도움이 필요하다고 합니다. 하지만 트랜스포머들에게도 그 문자는 고대의 것으로 해석이 어려운 것이었고 그렇다면 그것을 추적하고 있는 디셉티콘 측은 적어도 해석이 가능할지도 모른다는 추측에 미카엘라가 생포한 정찰 로봇에게 문자에 대해 물어봅니다. 줏대없고 수다스런 팔랑귀 디셉티콘 정찰병은 선조 트랜스포머들이 지구 여기저기에 잠들어 있으며 그들이라면 문자를 해독할 수 있을거라고 하고 일행은 선조 트랜스포머 중 하나가 있는 항공박물관으로 향합니다.

선조 트랜스포머는 SR-71 블랙버드로 변형하는 젯파이어란 영감로봇이고 약간 치매기가 있는 이 괴짜 영감은 원래 디셉티콘이었지만 그들의 잔인한 행동에 질려 전향한 사실을 알게 됩니다. 젯파이어는 디셉티콘이 찾고 있는게 매트릭스란 사실을 알려주고 그것을 찾을 힌트와 함께 매트릭스가 숨겨진 이집트로 샘 일행을 워프시킵니다.

이집트 한가운데 떨어진 이들은 수수께끼 같은 단서를 쫓아 매트릭스를 찾으며 레녹스 소령(진급했습니다)에게 자신들이 있는 곳으로 옵티머스의 시신을 운반해달라고 요청합니다.

고대 프라임들의 무덤 속에서 샘은 매트릭스를 찾지만 그것을 찾아 드는 순간 매트릭스는 가루로 산화해 버립니다. 하지만 샘은 모든 것에 이유가 있을 거란 믿음으로 가루를 챙겨들고 옵티머스가 있는 곳으로 향하고 샘의 위치를 파악한 폴른 패거리들도 하나 둘 이집트로 집결하기 시작합니다.

이제 매트릭스를 차지하려는 폴른, 매트릭스를 통해 옵티머스를 부활시키려는 샘, 샘을 도우려는 특수부대원들이 모인 가운데 이집트 유적을 배경으로 마지막 대결이 벌어집니다.

태양에너지를 모조리 흡수하는 기계장치는 이집트 피라미드 중 하나에 감추어져 있고 여러개의 트랜스포머가 합체하여 만들어지는 디베스테이터는 그 육중한 몸으로 피라미드 외부 돌들을 까부수며 기계를 발굴하고 폴른의 수하에 들어간 메가트론,스타스크림 등등은 샘을 추적함과 동시에 그를 도우러 온 특수부대의 통신을 무력화 시켜 발을 묶어 놓습니다. 이 와중에 프랑스로 여행을 갔던 샘의 부모님도 인질로 잡힌 채 이집트로 날아옵니다.

디베스테이터는 그 육중한 비쥬얼에도 불구하고 영화 초반부터 썰렁유머를 날리던 오토봇의 개그 쌍둥이 콤비와 역시나 썰렁하기로 그들에게 밀리지 않는 시몬스/레오 인간 개그 콤비에게 아작이 납니다. 이 과정에서 미군의 비밀병기로 함상 레일건이 등장하기도 합니다.

어찌어찌해서 옵티머스 시신 근처까지 접근한 샘은 마지막 순간 스타스크림의 공격을 받아 숨이 멎게 됩니다. 매트릭스는 가루가 되고 옵티머스와 샘이 전사한 순간 샘은 유체이탈 비슷한 상황에서 선조 프라임들의 영혼으로부터 매트릭스의 주인으로 인정을 받고 다시 부활하여 옵티머스를 살려냅니다. 하지만 막 부활시킨 그를 치료하기도 전에 폴른에게 매트릭스를 빼앗기게 되고 폴른은 매트릭스를 사용해 피라미드 속 고대병기를 작동시기려 합니다.

전투 중에 만신창이가 된 젯파이어는 자결을 하며 자신의 부품(능력)을 다시 부활한 옵티머스에게 넘겨주고 젯파이어의 부품과 합체하여 업그레이드된 옵티머스는 슝~하니 날아가서 고대병기를 박살내고 폴른 역시 아작을 냅니다. 그 사이에 끼어 반쯤 아작난 메가트론은 '강한놈이 오래 가는 게 아니고 오래 가는 놈이 강한놈이여'라고 주장하는 스타스크림의 충고를 받아들여 슬쩍 도망을 칩니다.

지구에는 다시 잠시나마 평화가 찾아오며 샘과 미카엘라는 사랑을 확인합니다.