ミッション・シティでの戦いから2年。総司令官オプティマス・プライム率いる「オートボット」は地球を新たな故郷として集結し、未だ地球に潜む「ディセプティコン」を殲滅するため、アメリカ軍と共に対ディセプティコン特殊部隊N.E.S.T.（ネスト）を結成し活動していた。ある日、オプティマス・プライムらは上海に現れたディセプティコンのデモリッシャーを撃退。しかしデモリッシャーは死に際、オプティマス・プライムに対し「ザ・フォールン様が蘇る」という言葉を残すのであった。

これを受けたオプティマス・プライムは今後の脅威について米軍上層部へ報告するが、そこに国家安全保障担当補佐官セオドア・ギャロウェイが現れ「『キューブ』が消滅してもなおディセプティコンが地球に居続けるのは、オートボットたちが居るからではないか」との疑念を突きつける。そのころ、米軍が保管していたキューブの欠片を奪取したディセプティコンたちが海底に沈められたディセプティコンのリーダーメガトロンを復活させ、メガトロンはディセプティコンの本拠地へと帰還する。そこで待っていたのは、メガトロンが主と仰ぐ、地球に対して復讐（リベンジ）の念を募らせたザ・フォールンであった。

一方、大学[注 1][3]への進学を控えた少年サム・ウィトウィッキーは両親、恋人のミカエラ・ベインズ、そして相棒のオートボットバンブルビーらとの別れを惜しみつつも、これから始まる新生活に胸を躍らせていた。しかし、引越しの最中に服にキューブの欠片が付着しているのを発見、欠片に触れてしまう。これをきっかけに、見たことの無い文字が頭に浮んだり視界に映写されたりするようになる上、授業中に錯乱するなどといった奇怪な症状が出始める。

オプティマス・プライムは、ギャロウェイをはじめとする政府の誤解を解くためサムに仲介を求めるが、普通の生活を望むサムはそれを断ってしまう。しかし、間もなく大学にディセプティコンが現れ、サムは再びトランスフォーマーの戦いに巻き込まれていく。ミカエラやルームメイトのレオ・スピッツらと共にディセプティコンに拉致され、メガトロンの元へ連れていかれるサムであったが、ディセプティコンの目的はキューブの欠片からサムの脳内に移った「オールスパーク」の情報だった。サムたちはオプティマス・プライムとバンブルビーの助けによって逃げのびるが、オプティマス・プライムが犠牲となってしまう。唯一対抗できる最後のプライムがいなくなったことを受け、ザ・フォールンはサムを探すために直接世界中を攻撃し、サムを差し出さなければ世界を滅ぼすと宣言。その結果サムは国際指名手配されてしまう。N.E.S.T.の基地にオプティマス・プライムの亡骸が運ばれるが、同時に大統領命令を携えたギャロウェイが部隊に解散を通告、オートボットらは拘束されてしまうのであった。

サムたちはレオの伝手で、解散した秘密組織「セクター7」の元捜査官シーモア・シモンズと再会。ミカエラが捕らえたディセプティコンのホィーリーの協力も得てサムの頭に浮かぶ文字が「古代サイバトロン語」であることを突き止め、それを読むことのできるトランスフォーマーを求めスミソニアン航空宇宙博物館へと向かい、元ディセプティコンの老兵のジェットファイアと出会う。ジェットファイアはサムたちと共にエジプトへとテレポートし、過去の出来事を語り始める。

紀元前17,000年、トランスフォーマーの初代リーダーである7人のプライムたちがトランスフォーマーの命の源である「エネルゴン」探索のため地球に飛来した。エネルゴンは太陽のような恒星を破壊することで作られるが、「生命体の存在する星は滅ぼしてはならない」というルールにより地球の生命体を生かすのに不可欠な太陽は対象から除外されることとなっていた。しかし、そのうちの1人が独断で惑星破壊装置を起動し太陽を壊そうとした。7人の中でも特に強大であった「地に堕ちた者」ザ・フォールンに他の6人のプライムたちは太刀打ち出来ず、止む無く装置を起動させるキーの役割を持つアイテム「リーダーのマトリクス」をエジプトのどこかへ隠したのだった。

サムはマトリクスがオプティマス・プライムを蘇らせる力を持つと信じ、ジェットファイアの言葉を基にエジプトを駆け巡り遂にマトリクスを見つける。しかし年月が経ち過ぎていたために、サムが手を触れた途端にマトリクスは砂と化してしまう。一同は愕然とするがサムは諦めず、砂をかき集めてオプティマス・プライムの元に向かう。そのころ、シモンズから連絡を受けたウィリアム・レノックスをはじめとするN.E.S.T.部隊は、ギャロウェイの命令を無視してオプティマス・プライムの亡骸を載せエジプトへ到着。同時に、通信を傍受したディセプティコンの部隊がエジプトに集結し、激しい銃撃戦の中サムは仮死状態に陥ってしまう。

サムは蘇生するまでの僅かな間、夢の中でかつての初代プライムたちからオプティマス・プライムのために命を懸けたことを讃えられると共に、「リーダーのマトリクスは手に入れるものではなく、勝ち取るもの」でありサム自身がリーダーに相応しい者であることを告げられる。サムが蘇生した瞬間、砂粒だったマトリクスは元の姿を取り戻した。マトリクスの力によってオプティマス・プライムを蘇らせることに成功するが、直後にザ・フォールンによってマトリクスが奪われてしまう。ピラミッドに隠されていた装置は既にむき出しとなっており、キーが揃ったことで装置が起動してしまうのであった。

戦況を見たジェットファイアは自害して自身のパーツをオプティマス・プライムに託し、パワーアップしたオプティマス・プライムはジェット・パワー・オプティマス・プライムとして瞬く間に装置を破壊。襲いかかってきたメガトロンとザ・フォールンを圧倒し、遂にザ・フォールンを倒す。メガトロンはどこかへと逃走し、地球に再び平和が戻ったのだった。
登場人物
主な登場人物
サム・ウィトウィッキー / Sam Witwicky
演 - シャイア・ラブーフ[注 2]、吹き替え - 小松史法主人公。