距今50多年前，一艘来自赛博坦的飞船坠落月球，由此引发了美苏两国的太空竞赛。人类争相登上月球，只为一探飞船残骸中的秘密。时间回到21世纪初，经过几番征战，汽车人终于挫败霸天虎的入侵，继而与人类协作，共同捍卫美丽的地。但是发作在切尔诺贝利的事情却将尘封已久的月球方案重新摆到桌面。为了防止霸天虎找到能量柱为非作歹，擎天柱与战友飞赴月球，更从当年的飞船中救出了汽车人的先代指导者——御天敌。御天敌是能量柱的发明者，将上百根能量柱集合在一同便可制造太空桥，完成物质的瞬间传送。忙着找任务以及和女友卡莉（罗茜·汉丁顿-惠特莉Rosie Huntington-Whiteley 饰）运营爱情的山姆（希亚·拉博夫 Shia LaBeouf 饰）无可防止地卷入其中，他渐渐发现霸天虎的操纵一切的阴谋，却不知更大的阴谋和危机隐藏在那月影面前……
