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芝加哥大战四年后，由于大战带来的灾难性后果使汽车人与人类之间的联盟被打破，在变形金刚赏金猎人禁闭的帮助下，美国中央情报局组建了一支名为“墓风”的部队四处猎杀变形金刚——无论汽车人还是霸天虎。为求自保，汽车人不得不隐遁身形，从地球上销声匿迹。
商业大亨约书华·乔伊斯的科技公司KSI通过中情局特工哈洛德·亚汀杰，获取了变形金刚的遗骸，并发掘出变形金刚的基因奥秘——一种名为”Transformiun“的不稳定元素，利用这些元素和威震天头部残骸中获取的数据，KSI成功地创造了人造金刚惊破天。[2]
在得克萨斯州，破落的机器人发明家凯德·伊格和他的朋友卢卡斯·弗兰纳里花250美金买回了一辆旧卡车头，希望把它当废铁拆开来卖了，好供凯德的女儿泰莎上大学，然而，凯德却意外地发现，那辆卡车其实是处于睡眠状态的擎天柱。
凯德本打算研究擎天柱的构造，之后再转交中情局换赏金，却不慎在修复的过程中将他唤醒，出于同情，凯德伸出援手，帮助修复身负重伤的擎天柱。与此同时，侦测到擎天柱行踪的“墓风”小队不请自到，闯入伊格农场，领头特工詹姆斯·萨沃伊用枪抵住泰莎的头来威胁凯德，要他说出擎天柱的下落，擎天柱不忍泰莎为自己送命，现身攻击“墓风”小队，为凯德一家制造脱逃机会。泰莎的秘密男友——职业赛车手肖恩·戴森驾车救下三人，并甩脱墓风小队的追击，不幸的是，在逃脱过程中卢卡斯被禁闭的手榴弹炸死。
凯德俘获一架无人机，发现了被俘虏的汽车人的悲惨遭遇，以及“墓风”部队与KSI之间藕断丝连的关系，擎天柱与剩余汽车人汇合，在新的人类伙伴陪同下渗透进KSI位于芝加哥的总部大楼。
进入KSI实验室后，凯德、肖恩和大黄蜂发现这里的实验人员正在逆转变形金刚的技术，将他们的遗体肢解、融化，制造成人造金刚。见此非人场景，愤怒的擎天柱率领一众汽车人突入实验室，救出被迫为KSI破解数据的脑脑，擎天柱质问现身的约书亚为何做出如此残暴的举动，但约书亚却说这一切都是为了科技，无论擎天柱怎样阻挡也逆转不了这一潮流，而他的所作所为只是一个开端，面对如此固执的人类，擎天柱只能率队离开。
汽车人一离开实验室，约书亚便下令启动KSI的人造金刚惊破天和毒刺追击，但惊破天似乎并不完全受人类的控制，在公路上与擎天柱大战一场，擎天柱意识到人造金刚惊破天受到威震天的感染，已经变成了他的新身体。禁闭乘着擎天柱专注于惊破天时偷袭了他，并在混乱之中俘虏了擎天柱和泰莎。
在禁闭的飞船上，禁闭告诉身处囚牢的擎天柱：变形金刚其实他们是被称为“造物主”的神秘外星种族制造出来的，而汽车人和霸天虎在宇宙中的大战令“造物主”不满，便雇佣他追捕汽车人首领。
作为帮助抓捕擎天柱的奖励，禁闭将“种子”——一种能将有机物转化为”Transformiun“的炸弹——交给了“墓风”部队幕后推手哈洛德。与此同时，大黄蜂、探长、漂移、准线、凯德、肖恩一起溜上了禁闭的飞船，救出擎天柱和泰莎，在飞船进入太空之前偷走了救生艇附带上面装载的武器收藏与古代变形金刚——骑士，前去寻找“种子”的下落。
约书华和工作伙伴苏月明、达茜·泰莉撤至北京，在那里，亚汀杰用种子换取了KSI的五百万股份，但其实约书华之前接到过来自凯德的一通电话，开始后悔自己的所作所为，此刻心里正犹豫不决。惊破天突然失控，附带感染了五十台人造金刚原型，大闹KSI工厂，见到自己原本为了“创造美好未来”的作品变成战争机器，约书华终于下定决心背叛亚汀杰，和苏月明一同将“种子”转移至香港。
“墓风”、霸天虎均想抢夺“种子”，在香港的争夺大战终于开始。
在汽车人装载“种子”的时候，飞船被禁闭的一颗炮弹击中坠落，留在地面上的探针和大黄蜂试图保护约书华等人，但因与霸天虎之间实力悬殊而节节败退，擎天柱唤醒飞船中的“传奇骑士”机器恐龙——钢索、嘲笑、扫射、铁块，带领他们返回城市摧毁惊破天的军队。
禁闭发觉擎天柱逃跑，便重返地球，使用巨大的磁力武器吸附城市中的所有金属，试图以此重新捕获擎天柱。擎天柱摧毁了武器并和禁闭单独决斗，战斗中，擎天柱不慎被禁闭刺穿胸膛，钉在了墙上，就在危急关头，凯德、大黄蜂前来助阵，分散禁闭的注意。肖恩、泰莎用拖车帮助擎天柱脱困。最终擎天柱消灭了禁闭，并用禁闭的炸弹把人造金刚统统炸光。
但却没能抓住惊破天——最后他乘机占据了禁闭的飞船，打算和擎天柱改日再战。
擎天柱向汽车人和伊格一家告别
大战结束，擎天柱将伊格一家平安地转交给香港警方，并让机器恐龙重获自由，而他自己则打算将“种子”永远地藏起来，临行前，凯德问他彼此之间是否还有机会再见面，擎天柱回答说他不知道，并叮嘱汽车人照顾好这一家人，然后便带着“种子”飞向遥远的太空，同时向“造物主”发送了一条信息：不要打地球的主意，否则他永远不会放过“造物主”们
