Os Autobots, liderados por Optimus Prime (Peter Cullen), participam de missões secretas ao lado dos humanos, onde tentam exterminar os Decepticons existentes no planeta. Um dia Optimus descobre que os humanos lhe esconderam algo ocorrido no lado oculto da Lua. Trata-se da queda de uma espaçonave vinda de Cyberton, comandada por Sentinel Prime (Leonard Nimoy), que desencadeou a corrida espacial entre Estados Unidos e União Soviética na década de 60. Os Autobots resolvem ir à Lua para resgatar o antigo líder, além das cápsulas que ainda estão no local. Paralelamente, Sam Witwicky (Shia LaBeouf) vive com sua nova namorada, Carly (Rosie Huntington-Whiteley), e está à procura de emprego. Ele sente-se diminuído, já que salvou o planeta duas vezes e ganhou uma medalha do presidente Barack Obama, mas nada disto parece ajudá-lo a se estabelecer no mercado de trabalho. Para piorar, Carly ganha bem e é assediada pelo chefe, o bilionário Dylan Gould (Patrick Dempsey). Pouco depois de enfim conseguir emprego, Sam recebe uma mensagem de Jerry (Ken Jeong), que trabalha no mesmo lugar. Jerry trabalhou na NASA durante a corrida espacial e agora é chantageado pelos Decepticons, que o matam. O fato faz com que Sam procure mais uma vez os Autobots, mas apesar de seus feitos do passado ele encontra resistência da nova comandante, Marissa Faireborn (Frances McDormand).