Un inventor en apuros llamado Cade Yeager (Mark Wahlberg) trabaja en su cobertizo y casa de Texas, intentando llegar a fin de mes reparando chatarra y cachivaches para los vecinos y esperando hacerse rico con la próxima gran invención robótica. También hace lo posible por cuidar de su hija de diecisiete años, Tessa (Nicola Peltz), cuya educación universitaria depende de las finanzas inexistentes de la familia. Un día Cade compra una camioneta oxidada y maltratada y, mientras intenta repararla, se sorprende al descubrir que en realidad es Optimus Prime (con voz de Peter Cullen), el líder de los Autobots que ha sido efectivamente exiliado de la humanidad. El mundo aún está tambaleándose por la destrucción que los Transformers han causado, especialmente en la ciudad de Chicago, y hay una recompensa para sus cabezas. El amigo de Cade, Lucas (T. J. Miller), preferiría entregar al Transformer, y una llamada telefónica provoca la llegada de un escuadrón espía gubernamental para recuperar la amenaza a la seguridad nacional sin una orden. Cade, su hija y Lucas logran escapar apenas gracias a las habilidades de conducción del novio de Tessa, Shane (Jack Reynor). El cuarteto, más Prime, se ve huyendo del gobierno y de su colaboradora secreta, una elegante cazadora de recompensas Transformer llamada Lockdown (con voz de Mark Ryan). Mientras tanto, un exitoso emprendedor robótico llamado Joshua Joyce (Stanley Tucci) está inventando sus propios Transformers, entre ellos el veloz Stinger y el poderoso Galvatron (con voz de Frank Welker).