Un inventeur en difficulté nommé Cade Yeager (Mark Wahlberg) travaille dans son cabanon et chez lui au Texas, essayant de joindre les deux couteaux en réparant des bricoles pour les voisins et en espérant faire fortune avec la prochaine grande invention robotiques. Il fait aussi tout ce qu’il peut pour protéger sa fille de dix-sept ans, Tessa (Nicola Peltz), dont les études universitaires dépendent des finances inexistantes de la famille. Un jour, Cade achète un camion rouillé et cabossé et, en essayant de le réparer, est surpris de découvrir que c’est en réalité Optimus Prime (voix de Peter Cullen), le leader des Autobots qui s’est effectivement exilé de l’humanité. Le monde est encore sous le choc des destructions causées par les Transformers, en particulier dans la ville de Chicago, et il y a une prime sur leurs têtes. L’ami de Cade, Lucas (T. J. Miller), préférerait remettre le Transformer, et un coup de fil déclenche l’arrivée d’une escouade gouvernementale secrète chargée de récupérer la « menace » pour la sécurité nationale sans mandat. Cade, sa fille et Lucas échappent de justesse grâce aux talents de conduite du petit ami de Tessa, Shane (Jack Reynor). Le quatuor, plus Prime, se retrouve en fuite du gouvernement et de son collaborateur secret, un Transformer élégant pour la chasse à la prime nommé Lockdown (voix de Mark Ryan). Pendant ce temps, un entrepreneur en robotiques à succès nommé Joshua Joyce (Stanley Tucci) invente ses propres Transformers, y compris le rapide Stinger et le puissant Galvatron (voix de Frank Welker).