Beribu-ribu tahun lalu, terdapat sebuah bangsa Transformer lama yang menjelajah alam semesta untuk mencari punca energon yang dikenali sebagai Dynasty of Primes. Mereka menggunakan mesin yang dikenali sebagai {Sun Harvesters (Penuai Bintang)} untuk menghisap tenaga bintang tersebut untuk dijadikan energon dan memberi kuasa kepada All Spark Cybertron. Mereka bersetuju bahawa dunia yang mengandungi kehidupan akan dibiarkan, tetapi pada 17,000 SM, seorang daripada mereka, yang dikenali selepas itu sebagai "The Fallen", telah membina sebuah {Sun Harvester} di Bumi. Maka, {the brothers} yang lain mengorbankan badan mereka untuk menyemunyikan Matriks Kepimpinan -kunci yang menghidupkan {Sun Harvester} - daripada The Fallen, yang bersumpah untuk membalas dendam atas Bumi.

Pada masa sekarang, dua tahun selepas kejadian filem lalu, Optimus Prime dilihat memimpin NEST (Networked Elements: Supporters dan Transformers), sebuah organisasi tentera yang terdiri daripada askar manusia dan pasukan Autobot sendirinya. (termasuk ahli baru Arcee, Chromia, Elita One, Sideswipe, Jolt, dan pasangan kembar (Skids dan Mudflap) dengan tujuan membunuh Decepticon yang masih menetap di Bumi. While on a mission in Shanghai, Optimus dan pasukannya memusnahkan Decepticon Sideways dan Demolishor, being given a warning by the latter that "The Fallen akan bangkit semula". Back in the United States, Sam Witwicky terjumpa splinter of the destroyed All Spark, dan upon contact the splinter fills his mind with Cybertronian symbols. Deeming it dangerous, Sam memberi All Spark splinter kepada teman wanitanya iaitu Mikaela Banes untuk disimpan, dan meninggalkannya dan Bumblebee untuk ke kolej. Upon arrival, Sam bertemu dengan teman biliknya Leo Spitz, yang mentadbir sebuah laman konspirasi makhluk asing, dan Alice, a co-ed who makes unusually strong sexual advances on him. Back home, Decepticon Wheelie cuba mencuri shard, lalu ditangkap Mikaela. After having a mental breakdown, uncontrollably writing in Cybertronian language, Sam menelefon Mikaela, who immediately leaves to get to him.

Decepticon Soundwave menggondam sebuah satelit Amerika Syarikat dan learns the location of the dead Decepticon leader Megatron dan another piece of the All Spark. The Decepticons menyerang the secret base, retrieve the shard, dan menggunakannya untuk menghidupkan semula Megatron, who flies into space dan is reunited dengan Starscream dan his master, The Fallen, atas kapal Nemesis. The Fallen mengarahkan Megatron dan Starscream untuk menangkap Sam supaya dapat mengetahui lokasi Matriks Kepimpinan. With Sam's outbreaks worsening, Mikaela tiba di kampus just as Alice — revealed to be a Decepticon Pretender — attacks Sam. Mikaela (yang marah), Sam, dan Leo (teman biliknya) drive off, crashing into Alice, but are seized by the Decepticon Grindor. The Decepticon known as "The Doctor" bersedia mengeluarkan otak Sam, tetapi Optimus dan Bumblebee datang dan menyelamatkannya. In an ensuing fight, Optimus engages Megatron, Grindor dan Starscream. Optimus berjaya membunuh Grindor dan mencabutkan tangan Starscream, but during a momentary distraction while searching for Sam, he is blindsided then impaled dan dan ditembak dadanya oleh Megatron lalu. Megatron dan Starscream berlepas semasa pasukan Autobot tiba menyelamatkan Sam, tetapi tidak dapat menyelamatkan Optimus.

Setelah kematian Prime, The Fallen dibebaskan from his captivity dan Megatron orders a full-scale assault on the planet. The Fallen speaks to the world dan demands mereka menyerahkan Sam to the Decepticons or they will continue their attack. Sam, Mikaela, Leo, Bumblebee, pasukan kembar dan Wheelie berkumpul semula, dan Leo mencadangkan lawan atas-taliannya "Robo-Warrior" mungkin dapat membantu. They then proceed to where Robo-Warrior is, who turns out to be bekas agen Sector 7 Simmons. Simmons informs the group that the symbols Sam has been seeing should be readable for a Decepticon. Mikaela membebaskan Wheelie, yang tidak dapat membaca bahasa itu, tetapi mengenalpastinya sebagai as that of the Primes, directs the group to a Decepticon seeker (who they later learn switched his allegiance to the Autobots) bernama Jetfire. They then find Jetfire (yang menyamar sebagai SR-71 di tengah muzium) di F. Udvar-Hazy Center dan menghidupkannya via the shard of the AllSpark. After teleporting the group to Mesir, Jetfire explains that only a Prime can kill The Fallen, dan menterjemahkan simbol-simbol, which contain a riddle that sets the location of the Matriks Kepimpinan somewhere in the surrounding desert. By following the clues, the group arrive at the tomb where they ultimately find the Matrix, but it crumbles to dust in Sam's hands. Believing the Matrix masih dapat menghidupkan semula Optimus, Sam collects the dust dan instructs Simmons menelefon Major William Lennox to bring the other Autobots dan Optimus's body.

Pasukan tentera tiba bersama Autobots, but so do the Decepticons (many unnamed dan of various models which arrive via orbit), dan a battle ensues with the Autobots outnumbered dan the humans outgunned but managing to inflict casualties. During the fight, Decepticon Devastator is formed dan unearths the Sun Harvester from inside one of the pyramids before being destroyed by the US military with the help of agent Simmons dan a top secret military railgun. Jetfire arrives dan destroys Mixmaster, but is mortally wounded by Scorponok. Tentera Udara Amerika Syarikat mengebom Decepticons, tetapi Megatron breaks through the offensive lalu membunuh Sam. While dead, Sam is contacted by the Dynasty of the Primes who, mengakui keberanian dan dedikasinya terhadap Optimus, menghidupkan semula Sam dan membina semula Matriks Kepimpinan. Sam terus menghidupkan balik Optimus just before The Fallen ambush him dan his allies, slaughtering beberapa orang askar dan taking off with the Matrix to activate the Harvester. Jetfire mengorbankan dirinya supaya Optimus dapat menggunakan parts to fly to the Harvester. He successfully destroys it. Then Optimus engages The Fallen in the ruins lalu membunuhnya dengan by punching through his chest dan ripping his spark out. Walaupun peperangan sudah tamat, Megatron enggan mengaku kalah lalu berundur ke kapal Nemesis bersama Starscream. Filem berakhir dengan Optimus berdiri bersama Sam di atas sebuah kapal pengangkut kapal terbang, sambil menghantar sebuah mesej ke angkasa bahawa manusia dan Transformers berkongsi sebuah masa silam yang umum. During the credits, Sam dilihat pulang ke kolej.