魔方（Allspark）创造了最早的13个变形金刚，他们就是“The Primes”（领导者），为了获取更多的能量，这群变形金刚发明了“领导模块”（Matrix of Leadership），它可以用来驱动一种从太阳吸取能量的装置（就是生产能量块Energon的装置）。“The Primes”们在茫茫宇宙中到处寻找可以为他们提供能量的太阳，但他们也共同发誓：如果那颗太阳周围有生命的存在，他们就不会对那颗太阳下手。“The Primes”们来到地球，见到了早期的人类，他们被人当作了神灵。堕落金刚（The Fallen）想要把领导模块据为己有，于是他选择背叛誓言。另外12个变形金刚为了不让他得逞把领导模块藏在了一个墓中。堕落金刚杀死同胞后没有停止寻 找，只有“The Primes”最后幸存的后代“擎天柱”可以阻止他。
第一幕：上海
NEST（非生物地外物种部门）仍然在追踪霸天虎，铁皮（Ironhide）、横炮（Sideswipe）、擎天柱、双胞胎机器人以及军方的 Epps、Lennox都在这里。他们顺着破坏者（Demolisher）的信号找到了他，但在靠近时破坏者变形成为巨轮（预告片中的那一幕），不过擎天 柱和铁皮从他的侧面袭击最终击败了他。与此同时，横炮也把边路（Sideways）干掉了。破坏者在死之前透露了“堕落金刚”的名字。
第二幕：萨姆的家
电视里正在直播关于Mission City（第一集结尾大战的城市）的听证会，他们指责一家机器人公司刻意隐瞒实情，但萨姆（Sam）、米凯拉（Mikaela）还有萨姆的父母都知道真 相。萨姆正在打点行李准备去上大学，米凯拉打来电话，她对远距离恋爱十分不安。萨姆口袋里的魔方碎片这时掉到了地板上，在地上烫了一个洞，又掉到楼下的厨 房，并把约6样厨房电器变成了变形金刚，微波炉和手机打了起来，微波炉把手机吞进肚子里加热杀了它，这些机器人跑上了楼追着萨姆，幸好大黄蜂来了，他消灭 了这些机器人，但也把房子破坏了。
萨姆把魔方碎片交给米凯拉保管，后者把碎片藏到了父亲摩托车行里。霸天虎间谍转轮（wheelie）窃听到了他们的计划，准备偷走碎片。
第三幕：NEST总部
擎天柱汇报关于“破坏者”的消息，国家安全协会（NSA）的顾问盖洛威（Galloway）不信任汽车人，他说霸天虎来地球都是汽车人招引来的，他 甚至提出让总统驱逐汽车人。汽车人不知道“堕落金刚”是谁，因为寄存他们所有历史的魔方已经被摧毁了。声波（Soundwave）窃听他们汇报任务，知道 了威震天在海底的具体位置。
声波放出机器狗（Ravage），机器狗然后和蛛形机器人“医生”（Doctor）闯进NEST总部偷走了魔方碎片。
第四幕：大学
萨姆的室友里奥（Leo）深信变形金刚的存在，他还开办了一家网站，专门报道各地出现的变形金刚消息，不过总是被一个网名叫“机器战士”（Robo Warrior）的人开的另一家网站抢了先。
里奥用黑客手段进入了学校网站数据库，把最漂亮的女孩都安排住进了他们宿舍那一层。就这样爱丽丝（Alice）进入了萨姆的生活。
萨姆和里奥去参加派对，萨姆总是产生幻觉，看到一些奇怪的符号（象形文字），他试图把符号画在蛋糕上。爱丽丝拉他去跳舞，这时萨姆听到了外面有熟悉 的汽车声，他出去一看是大黄蜂，大黄蜂带萨姆去了一个墓地，擎天柱也在那里。他们警告萨姆说魔方碎片被偷了，并提出让萨姆作为汽车人的发言人。萨姆不太愿 意，他想过正常的生活，他也不知道自己能做什么，因为擎天柱都说服不了那些人他又怎么能做到呢？擎天柱相信萨姆，没有强迫他。
第五幕：海底
机器狗和医生潜入大洋海底，把魔方碎片插入威震天让他复活了。
第六幕：课堂
瑞恩·威尔森（Rainn Wilson）扮演的萨姆的教授正在上课，萨姆打开书开始速读，然后又出现了幻觉，发癫的他发表了很多高论，如爱因斯坦是错的、宇宙是如何形成的等等，最后他被赶出课堂，跑到图书馆里看一本他祖父的书。
第七幕：太空
威震天变成赛伯坦星球飞机的形态离开地球，前往另一个星球（可能是火星）。他在那里见到了正在等他的红蜘蛛（Starscream）还有堕落金刚。 和堕落金刚在一起威震天也只能俯首称臣，它们俩的关系类似“星战”里的西斯大帝和黑武士达斯维达。堕落金刚说有办法再造一个魔方，威震天说魔方已经被摧毁 了，堕落金刚反问他一句“你不是也一样吗”。堕落金刚告诉威震天，萨姆知道那个埋藏“领导模块”的地点，并要他们立刻找到他。威震天想拥有 “Primes”们的力量，堕落金刚许诺会满足他，于是15个霸天虎出发跟着威震天和红蜘蛛前往地球，而此时萨姆早已在霸天虎的监视之下。
第八幕：米凯拉的摩托车行
米凯拉发现了老在周围晃悠的转轮，转轮供认说堕落金刚命令他获取藏在碎片里的知识，米凯拉把转轮关了起来，带着他去找萨姆。
第九幕：萨姆的大学
爱丽丝在萨姆的寝室，把萨姆逼近了墙角，正要亲他时米凯拉赶到了。在走廊里的里奥在电视里看到了一个机器人和爱丽丝长得一样，原来爱丽丝是受霸天虎 操控的、来自迪士尼乐园的人形机器人。经过一番争斗，萨姆、米凯拉、里奥坐上车，逃离了宿舍。在这种紧张气氛下，里奥还不忘打哈哈，问萨姆是不是从未来被 派来拯救他自己的（《终结者》笑话），正说笑间车猛撞到了电线杆，从爱丽丝身上轧了过去。然而他们还没来得及庆幸就被一架霸天虎的直升机机器人抓住了。
第十幕：工厂
红蜘蛛把萨姆他们的车劈成了两半，威震天对萨姆说：“还记得我么？我可记得你。”然后他们开始折磨萨姆，蛛形机器人“医生”用一把钢锯从萨姆脑子里 获取情报。就在此时擎天柱和大黄蜂及时赶到，救下了萨姆他们，然后开打，一直打到工厂外面的树林里。擎天柱问威震天堕落金刚是谁，威震天说他来了你就知道 了。擎天柱一人和3个霸天虎大战，最后被威震天从背后刺杀，铁皮、救护车和双胞胎机器人赶到后，霸天虎才离开。
这场大战后，汽车人把萨姆藏了起来，霸天虎们再也找不到他了，于是他们求助于声波，声波以威震天的名义给每个地球人广播了一条消息，把变形金刚的事 情公之于众，威胁人类说如果他们在一个太阳周期内不能找出那个男孩，霸天虎就一个接一个的摧毁城市。萨姆的父母正好在巴黎度假，看到这个后惊慌失措。
第十一幕：NEST总部
擎天柱死了，国家安全协会也解散了NEST组织。萨姆感到了自责，他后悔当初没有答应擎天柱的请求。他仍然被那些奇怪符号的幻觉所困扰，他写下了那 些符号，双胞胎机器人认出那是“Primes”们的语言，而里奥也说他在“机器战士”的网站上看到过这样的字符。于是他们去找“机器战士”，没想到他就是 西蒙斯（Simmons）——第一集的特工，现在在他母亲的熟食店帮工。西蒙斯告诉他们，其实变形金刚很早以前就来到地球了。
萨姆说威震天坚信地球上有另外的能量来源，汽车人们都无能为力，因为这对他们来说也太古老了，米凯拉突然想起自己抓住的霸天虎转轮，于是决定从他嘴 里探取情报。转轮告诉他们地球上有一些古老的变形金刚叫做“Seekers”（寻找者），但不清楚他们在寻找什么，只知道他们既不是汽车人也不是霸天虎， 转轮定位了10个“Seekers”，最近的一个在华盛顿特区。
第十二章：华盛顿特区
原来那个在华盛顿的“Seekers”就是天火（Jetfire），他变成一架飞机呆在博物馆里。天火就像一位健忘的老人，他不记得自己在哪里、也 不记得自己要找什么了。萨姆他们答应天火，如果他帮助他们，他们也会帮他恢复记忆。天火得知战争还在继续非常失望，萨姆提到堕落金刚，触发了天火的记忆。
萨姆画出那些符号，经天火翻译后发现，那些是指示方位的。于是天火打开了一个虫洞，把大家都送到了埃及。天火介绍了堕落金刚以及吸取太阳能量装置的 历史，他说只有“Prime”的后人才能击败堕落金刚，而擎天柱正好是“Prime”的最后传人，当初堕落金刚为了找出还是孤儿的他不惜在赛伯坦星球上发 动战争。萨姆问“领导模块”能不能救活擎天柱，天火说应该可以。
萨姆给军方的朋友Lennox发去信息，要他把擎天柱运到埃及来，Lennox答应了，还派了一支舰队前来协助。不过此时眼观四路、耳听八方的声波 已经知道萨姆的位置了。萨姆和米凯拉坐在星空下谈话，突然悟出“领导模块”就藏在墓中！不过他们在墓里什么也没发现，直到一块石头意外地在墙上砸了一个 洞，他们才看到藏在墙后的领导模块！萨姆去够模块，模块一接触到空气就掉落在地上，萨姆从地上捡起模块，放到袜子里，准备去救活擎天柱。
军舰和霸天虎几乎同时抵达，声波切断了周围的通讯，给军舰指挥官错误的指令，让他们坐在那里白白的等。萨姆和米凯拉奔向擎天柱，途中遭到红蜘蛛攻击。这时堕落金刚出现了，他把自己传送到了金子塔塔顶。另一方面，海军也觉察到不对劲，于是派出侦察飞机。
建造派合体成为大力神。威震天说他已经为堕落金刚找到了那个吸取太阳能量制造能量块（Energon）的装置，堕落金刚向他要领导模块，因为没有它 装置无法启动。大力神爬上金字塔，摧毁金字塔，露出了里面的装置。西蒙斯意识到这就是那个吸取太阳能量的装置，他用手机和军舰取得联系，叫他们准备好作 战，后者此时才知道自己被声波耍了。
萨姆费好不容易来到擎天柱身边，却昏了过去，昏迷中他见到了“Primes”，他们跟他说了一堆命运之类的话后，把领导模块交给了他。萨姆醒来后发 现领导模块已经重组，变成了一把短匕首状的东西（预告片里萨姆从地上捡起来的那个）。萨姆赶紧把模块插入擎天柱胸膛，擎天柱复活了，但很虚弱。堕落金刚把 自己传送过来，抢走了模块，回到金字塔顶。天火意识到他必须牺牲自己来帮助擎天柱，他贡献出了自己的火种，安然去世，然后救护车也来帮助修理，最终擎天柱 焕然一新、重装上阵。
威震天、红蜘蛛、堕落金刚都在金字塔顶，西蒙斯指挥舰队向大力神开炮，把大力神又打散了。能量块装置启动了，擎天柱及时赶到，把装置偏转了方向，击 中了威震天和红蜘蛛。堕落金刚自称是“Prime”，擎天柱说他当初杀害自己弟兄们的时候就已经抛弃了自己的名字。擎天柱摧毁了装置，用碎片砸向堕落金 刚，威震天和红蜘蛛则趁他们打作一团时偷偷溜走了。
堕落金刚打开了一个虫洞准备逃走，擎天柱用领导模块关闭了虫洞，并重新打开一个新的虫洞把堕落金刚扔了进去，之后虫洞就在一道闪光中消失了，堕落金刚被永远的关在了里面。
