距今50多年前，一艘來自賽博坦的飛船墜落月球，由此引發了美蘇兩國的太空競賽。人類爭相登上月球，只爲一探飛船殘骸中的祕密。時間回到21世紀初，經過幾番征戰，汽車人終於挫敗霸天虎的入侵，繼而與人類合作，共同保衛美麗的地球。然而發生在車諾比的事件卻將塵封已久的月球計劃重新擺到桌面。爲了防止霸天虎找到能量柱爲非作歹，擎天柱與戰友飛赴月球，更從當年的飛船中救出了汽車人的先代領導者——御天敵。御天敵是能量柱的發明者，將上百根能量柱集合在一起便可製造太空橋，實現物質的瞬間傳送。
忙著找工作以及和女友卡莉（羅茜·漢丁頓-惠特莉Rosie Huntington-Whiteley 飾）經營愛情的山姆（希亞·拉博夫 Shia LaBeouf 飾）無可避免地捲入其中，他漸漸發現霸天虎的操縱一切的陰謀，卻不知更大的陰謀和危機隱藏在那月影背後……