En el año 17.000 a.C., los Primes (los Autobots originales) obtuvieron su energía de las cosechadoras solares, máquinas que destruyen estrellas para aprovechar su energía. Los Primes juraron no destruir nunca una estrella que sustente la vida. Uno de los Primes intentó violar esta regla construyendo una cosechadora solar en la Tierra, por lo que fue encarcelado por los otros seis Primes, convirtiéndose en "El Caído", el Decepticon original.

En 2009, dos años después de la batalla de Mission City,[N 1] los Autobots y los humanos han formado el Tratado de Especies Extraterrestres No Biológicas (NEST), un grupo de trabajo internacional clasificado destinado a eliminar a los Decepticons restantes que están cazando a los Autobots. Derrotan a dos Decepticons, Sideways y Demolisher, en Shanghái, pero este último les dice que viene el Caído antes de ser asesinado. Mientras tanto, el Decepticon Soundwave hackea un satélite militar. Los Decepticons roban la última pieza conocida de la esquirla AllSpark de una base de la Marina y la utilizan para resucitar el cuerpo de Megatron mientras arrancan partes de uno de sus propios miembros para realizar las reparaciones necesarias en su cuerpo. Los Caídos envían a Megatron y a su segundo al mando, Starscream, a capturar vivo a Sam Witwicky y a matar a Optimus.

Sam, ahora un estudiante universitario, ha estado viendo símbolos cibertronianos desde que tiene un fragmento de AllSpark más pequeño; Megatron cree que los símbolos llevarán a los Decepticons a una nueva fuente de Energón. El fragmento hace que muchos de los aparatos de cocina cobren vida y traten de matar a Sam y a sus padres; Bumblebee los rescata. Sam le da el fragmento a su novia Mikaela Banes, que más tarde captura al Decepticon Wheelie cuando intenta robarlo. Sam, su compañero Leo y Mikaela son capturados por el Decepticon Grindor antes de que Optimus y Bumblebee los rescaten. Los Decepticons matan entonces a Optimus (pero no antes de que mate a Grindor) y lanzan devastadores ataques simultáneos en todo el mundo, mientras que el Caído, con ayuda de Soundwave, secuestra los sistemas de telecomunicaciones de la Tierra, exigiendo que le entreguen a Sam.

Sam, Mikaela y Leo encuentran entonces al experto en alienígenas y antiguo agente del Sector Siete, el "Robo-Guerrero" Seymour Simmons, quien revela que los Transformers visitaron la Tierra hace eones y que los más antiguos, conocidos como Buscadores, permanecieron ocultos en la Tierra. Con la ayuda de Wheelie, localizan a un Decepticon anciano convertido en Autobot Buscador llamado Jetfire en el Museo Smithsonian del Aire y el Espacio. Utilizan su fragmento para revivir a Jetfire, que teletransporta al grupo a Egipto. Junto con Jetfire, Wheelie se pone del lado de los Autobots, y Jetfire los envía a localizar la Matriz del Liderazgo, la llave del cosechador solar, que también podría usarse para revivir a Optimus. El grupo encuentra la Matriz, que los Primes que castigaron a los Caídos se sacrificaron para ocultar, en Petra, pero se desintegra en polvo.

Mientras tanto, las fuerzas de NEST y los Autobots aterrizan cerca del complejo de pirámides de Giza y son atacados por los Decepticons. Los Constructicons se combinan para formar a Devastator, que destruye una de las pirámides para revelar el cosechador de sol que hay en su interior antes de ser asesinado por la armada. La mayoría de los Decepticons son asesinados, sobre todo con múltiples ataques aéreos de la Marina y la Fuerza Aérea, pero Megatron mata a Sam. Cerca de la muerte, los Primes hablan con Sam, diciéndole que la Matriz debe ser ganada, no encontrada y que ahora se ha ganado el derecho a portarla luchando por Optimus. Reviven a Sam y le conceden la Matriz, que utiliza para revivir a Optimus. El Caído roba la Matriz a un Optimus débil y la utiliza para activar la cosechadora solar. Después de que Jetfire (que fue herido por Scorponok, pero pudo matar a su atacante) se sacrifica para permitir que sus partes sean trasplantadas a Optimus, Optimus Prime destruye la cosechadora y mata al Caído; Megatron y Starscream se retiran. Los Autobots y sus aliados regresan entonces a los Estados Unidos, y Leo y Sam vuelven a la universidad.