距离那场举世震惊的大战已经过去了数年，虽然美国政府宣布此事只是一场与外星人无关的恐怖袭击，但大部分人都明白，这不过只是政府掩盖事实真相的一昧说辞。擎天柱（皮特·库林配音）等变形金刚继续生活在地球上，与人类和平共处，山姆（希亚·拉博夫饰）也已经顺利读完高中，即将进入大学生涯，而米凯拉（梅根·福克斯饰）就没有那么幸运了，异地恋的结果则是山姆把大黄蜂（马克·瑞恩配音）留给了米凯拉。踏进大学校园，山姆对一切事物都感到新鲜，而且还认识了一个漂亮的女同学爱丽丝（伊莎贝尔·卢卡斯饰）。不过在全新的环境里没生活多久的他又陷入了一个令他头疼的境地，他的脑海里常常出现一些莫名其妙的符号，而且似乎冥冥里来自遥远星球的一个声音正在召唤着他……
山姆把这些事情告诉了擎天柱，无奈之下擎天柱告诉了他一个一直隐瞒着的秘密：变形金刚的起源来自于火种源魔方创造的13个变形金刚，而这群变形金刚创造了一种叫做领导模块的东西，它可以无限的吸取太阳的能量，而领导模块也引起了变形金刚的内斗，其中一个名叫堕落金刚的想把它据为己有。为了避免领导模块引起宇宙灾难，初代变形金刚将它藏在了宇宙的某个地方，而堕落金刚一直没有放弃过寻找领导模块，如今，地球成了他的寻找目标。而关于领导模块的秘密，则同山姆手中的火种源碎片有关，里面记载了远古时期变形金刚到访地球的种种线索，而他们前来地球，似乎就是为了留下一张藏宝图，而这藏宝图上记载的，就是领导模块的下落。
山姆与擎天柱将此事告知美国政府，同时博派也做好了战斗准备，严阵以待堕落金刚的到来，全球各国亦罕有的同时联合起来；在另一边，狂派的迷乱（里诺·威尔逊配音）从美国军方基地里偷走了火种源的碎片，用于威震天（雨果·维文配音）的复活。威震天与杀到地球的堕落金刚一起开始大举进攻人类，而这时候山姆也发现，一直以来对他大抛媚眼的爱丽丝，原来也是一个机器人，由于对这一点始料未及，山姆从而陷入了威震天之手。威震天逼迫山姆说出领导模块的下落，为了救出山姆，擎天柱决定用自己的生命来换取山姆的自由，因为还有更重要的事等着山姆去做……
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