2003年、火星にビークル2号探知機を打ち上げるが、火星に到着後NASAとの交信が途絶えてしまう。その後、アメリカ、パリ、東京、さらにはアメリカ大統領の乗るエアフォース・ワンの機内など、世界中の至るところで同時期に奇妙な現象が起きる。人間たちは、それが地球上のあらゆるテクノロジーをスキャンする知能を持つ“金属生命体”のしわざだとは知らなかった。
オートボットとの壮絶な戦いの末に敗北したディセプティコンが、新たな仲間を率い、より凶悪になって復活。ディセプティコンの新たな侵略計画は、現存するオートボットたちの総力をはるかに上回る巨大なトランスフォーマー、“デヴァステーター”やメガトロン以上に凶悪な“フォールン”を擁するものだった。
1969年7月20日、アポロ11号は月面着陸に成功し、ニール・アームストロングとエドウィン・オルドリンは人類で初めて月に降り立ったが、全世界が見守ったこの歴史的偉業の陰で、NASAとアメリカ政府は、ある事実をひた隠しにしてきた。実は月の裏側には、彼らよりも先に未知の宇宙船が不時着していた。
元オートボット司令官センチネル・プライムとディセプティコン破壊大帝メガトロンが引き起こしたシカゴの惨劇から5年、すでにディセプティコンの大半は駆逐されたものの、オートボットとアメリカ政府の同盟も解消され、オートボット達は姿を消していた。テキサス州でしがない廃品回収業を営む発明家ケイド・イェーガーは仕事で赴いた映画館の中で眠っていたトレーラートラックを見つけ、それを自宅に持ち帰る。さっそくケイドはそのトラックを解体しようとした所、それがトランスフォーマーである事を知る。
人類とトランスフォーマーが反目し合い、オプティマス・プライムが姿を消してしまう中、地球の存亡を左右する危機が到来。事態を収束すべく、発明家ケイド・イェーガー、オプティマスの後を継いでオートボットを率いるバンブルビー、謎多き貴族の老人、オックスフォード大学の教授によるチームが結成される。
自分の居場所を見つけられない思春期の少女チャーリーは、海沿いの小さな廃品置き場で、ボロボロの黄色い車を見つける。「バンブルビー」と名付け、修理したこの車が、やがて普通の車ではないと気づくのに、時間はかからなかった。1987年、まだ地球は平和な生活を送っていた。その時までは。
舞台はオプティマスプライム率いるトランスフォーマー達が地球に来て間もない1994年。あらゆる星を丸呑みにして食べ尽くす、規格外サイズの最強・最悪の敵「ユニクロン」が地球を次の標的に動き出していた。危機に立ち向かうべく、プライムが仲間たちを集め、意図せず戦いに巻き込まれた人間のノア、エレーナや、そして地球を救う新たな希望“ビースト”たちとともに立ち上がる!