Tijdens het inpakken voor de universiteit vindt Sam Witwicky (Shia LaBeouf) een scherf van de "All Spark", de eerder verwoeste kubus die in staat is mechanische objecten tot transformerende robots te animeren. Het object vult al snel zijn hoofd met mysterieuze buitenaardse symbolen, waardoor hij meerdere keren de controle over zichzelf verliest terwijl hij zijn visioenen haastig op elk beschikbaar oppervlak noteert. Ondertussen bevindt een Decepticon bekend als Soundwave zich in een baan om de Aarde. Hij onderschept een overheidszendering die zowel de locatie van een andere scherf van de All Spark als de rustplaats van de overleden leider van de Decepticons, Megatron, onthult. Megatron, succesvol gered en weer tot leven gebracht, keert terug naar Mars waar hij samenkomt met The Fallen, een oude Decepticon die eeuwen geleden nog over de Aarde heerste. Alleen de dood van Optimus Prime en de verwerving van de Matrix of Leadership — de rustplaats ervan gecodeerd in de symbolen die Sam voor ogen heeft — zullen The Fallen in staat stellen terug te keren naar de Aarde en zijn taak voltooien om de planeet voorgoed te vernietigen.