Een worstelende uitvinder genaamd Cade Yeager (Mark Wahlberg) werkt vanuit zijn Texaanse schuurtje en huis, terwijl hij overeind probeert te blijven door dingen en rommel voor de buren te repareren en hoopt rijk te worden met de volgende grote robotics-uitvinding. Hij doet ook wat hij kan om op zijn zeventienjarige dochter Tessa (Nicola Peltz) te letten, wiens collegegeld afhankelijk is van de familie’s ontbrekende financiën. Op een dag koopt Cade een roestige, afgetrapte vrachtwagen en, terwijl hij probeert te repareren, is hij verrast te ontdekken dat het eigenlijk Optimus Prime (ingesproken door Peter Cullen) is, leider van de Autobots, die feitelijk door de mensheid is verbannen. De wereld is nog steeds in rep en roer van de verwoesting die de Transformers hebben aangericht, met name in de stad Chicago, en er geldt een premie op hun kop. Cades vriend Lucas (T. J. Miller) heeft liever dat de Transformer wordt uitgeleverd, en een telefoontje levert de komst van een geheim dienst-esquadron op die het nationale veiligheids-“bedreiging” zonder machtiging wil ophalen. Cade, zijn dochter en Lucas ontsnappen ternauwernood dankzij de rijvaardigheid van Tessa’s vriend Shane (Jack Reynor). Het viertal, plus Prime, bevindt zich op de vlucht voor de regering en haar geheime medeplichtige, een slanke, premiejager Transformer genaamd Lockdown (ingesproken door Mark Ryan). Ondertussen bedenkt een succesvolle robotics-ondernemer genaamd Joshua Joyce (Stanley Tucci) zijn eigen Transformers, waaronder de snelle Stinger en de machtige Galvatron (ingesproken door Frank Welker).