Vem visste att ett regeringsprojekt kunde byggas kring hemliga och dolda motiv? Det visar sig att det faktiskt var fallet i rymdkapplöpningen. När man får veta att ett mystiskt utomjordiskt skepp kraschlandat på månen beordrade president John F. Kennedy amerikanska astronauter till den himlakroppens yta innan ryssarna kunde göra samma sak. Snart upptäcker astronauterna Neil Armstrong och Buzz Aldrin resterna av fordonet och flera massiva robotiska invånare. År senare, när de är tillbaka på jorden, fungerar Autobots ledda av Optimus Prime (Peter Cullen) som krigare som försvarar mänskligheten mot dess farligaste fiende: sig själva. De kallas till de radioaktivt förfallna ruinerna i Tjernobyl för att undersöka misstänkt närvaro av utomjordisk teknologi. Där finner de bevis på den gamla Cybertronian-skutan känd som Ark som bar dyrbar last: både den forna Autobot-ledaren Sentinel Prime samt flera elektroniska "pelare" som skulle fungera som en gateway mellan Cybertron och en annan värld. Transformers reser till månen och återfår både sin ledare och pelarna, men i skuggorna, och följer varje rörelse, och förutsätter Autobots handlingar, gömmer Decepticons, ledda av den skadade Megatron (Hugo Weaving), som åter igen planerar att ta kontroll över jorden. Under tiden har den nyutexaminerade college-deltagaren Sam Witwicky (Shia LaBeouf) en ny flickvän, Carly (Rosie Huntington-Whiteley), men inget nytt jobb. Trots hans bekantskap med Autobots och hans hjälte-status kan han inte hitta arbete och för att göra saken ännu värre kommer hans föräldrar (Julie White och Kevin Dunn) till stan och är säkra på att tillrättavisa hans brist på sysselsättning. Som tur är har Carly sagt gott om Sam, och hennes chef Dylan Gould (Patrick Dempsey) är mycket glad att anställa honom. Men det finns aldrig ett tråkigt ögonblick i Sam Witwickys liv, och visst nog den senaste Autobot-upptäckten av deras tidigare ledare och de radikalt avancerade pelarna – för att inte nämna några andra överraskningar som Sam får möta – kan mycket väl bli en del av en avsiktlig plan som skulle kunna innebära mänsklighetens undergång.