Un inventore in difficoltà di nome Cade Yeager (Mark Wahlberg) lavora nel suo capanno e nella sua casa del Texas, cercando di far fronte alle spese riparando pezzi e cappelli per i vicini e sperando di arricchirsi con la prossima grande invenzione robotica. Sta anche facendo il possibile per proteggere la sua figlia diciassettenne, Tessa (Nicola Peltz), la cui istruzione universitaria dipende dalle finanze inesistenti della famiglia. Un giorno Cade acquista un vecchio, arrugginito camion e, durante le riparazioni, scopre sorprendentemente che in realtà si tratta di Optimus Prime (doppiato da Peter Cullen), leader degli Autobots che è stato di fatto esiliato dall'umanità. Il mondo è ancora scosso dalla distruzione causata dai Transformer, soprattutto nella città di Chicago, e c'è una taglia sulla loro testa. L'amico di Cade, Lucas (T. J. Miller), preferirebbe consegnare il Transformer, e una telefonata provoca l'arrivo di una squadra di spie governative inviata a recuperare la minaccia per la sicurezza nazionale senza mandato. Cade, sua figlia e Lucas riescono a fuggire appena grazie alle abilità di guida del fidanzato di Tessa, Shane (Jack Reynor). Il quartetto, insieme a Prime, si ritrova in fuga dal governo e dal suo stretto collaboratore segreto, un elegante cacciatore di taglie Transformer chiamato Lockdown (doppiato da Mark Ryan). Nel frattempo, un imprenditore di successo nel campo della robotica, Joshua Joyce (Stanley Tucci), sta inventando i propri Transformer, tra cui il veloce Stinger e il potente Galvatron (doppiato da Frank Welker).