Mens han pakker til college finder Sam Witwicky (Shia LaBeouf) en splint af "All Spark", den tidligere ødelagte kube som kan få mekaniske objekter til at blive til transformerende robotter. Gjenstanden fylder snart hans hoved med mystiske aliensymboler, flere gange får ham til at miste kontrollen over sig selv, mens han hastigt nedskriver sine visioner på enhver overflade, der er tilgængelig. I mellemtiden er en Decepticon kendt som Soundwave i bane omkring Jorden. Han aflytter en regerings transmissions, der afslører både placeringen af endnu en splint af All Spark og de Decepticons afdøde leder Megatrons hvilested. Efter at være blevet reddet og genoplivet vender Megatron tilbage til Mars, hvor han mødes med The Fallen, en ældgammel Decepticon, der engang styrede over Jorden for århundreder siden. Kun døden af Optimus Prime og erhvervelsen af Matrix of Leadership -- det hvilested kodet i de symboler, Sam forestiller -- vil give The Fallen mulighed for at vende tilbage til Jorden og fuldføre sin opgave med at ødelægge planeten en gang for alle.