Alors qu’il fait ses valises pour le collège, Sam Witwicky (Shia LaBeouf) découvre un éclat du « All Spark », la cube précédemment détruit qui peut animer des objets mécaniques en robots capables de se transformer. L’objet remplit bientôt sa tête de symboles aliens mystérieux, le poussant à plusieurs reprises à perdre le contrôle de lui-même pendant qu’il griffonne précipitamment ses visions sur n’importe quelle surface disponible. Pendant ce temps, un Decepticon connu sous le nom de Soundwave est en orbite autour de la Terre. Il intercepte une transmission gouvernementale qui révèle à la fois l’emplacement d’un autre éclat du All Spark et le lieu de repos du chef décédé des Decepticons, Megatron. Sauvé et ressuscité avec succès, Megatron retourne sur Mars où il retrouve The Fallen, un ancient Decepticon qui régnait jadis sur la Terre il y a des siècles. Seule la mort d’Optimus Prime et l’acquisition du Matrix of Leadership — son lieu de repos codé dans les symboles que Sam imagine — permettront à The Fallen de retourner sur Terre et d’accomplir sa tâche consistant à détruire la planète une fois pour toutes.