Mens han pakker til college, finner Sam Witwicky (Shia LaBeouf) en flis av "All Spark", den tidligere ødelagte kuben som har evnen til å få mekaniske objekter til å transformere seg til roboter. Objeket fyller snart hodet hans med mystiske romvesen-symboler, og får ham flere ganger til å miste kontrollen mens han hastet skriver ned sine visjoner på enhver tilgjengelig overflate. I mellomtiden er en Decepticon kjent som Soundwave i bane rundt jorden. Han avlytter en regjeringsoverføring som avslører både plasseringen til en annen flis av All Spark og hvilestedet til Decepticonens avdøde leder, Megatron. Lykkelig reddet og gjenopplivet, vender Megatron tilbake til Mars hvor han møter The Fallen, en gammel Decepticon som en gang styrte over jorden for århundrer siden. Kun døden til Optimus Prime og tilegnelsen av Matrix of Leadership -- dens hvilested kodes inn i symbolene Sam ser i sine tanker -- vil tillate The Fallen å komme tilbake til jorden og Fullføre sin oppgave med å ødelegge planeten en gang for alle.