故事的核心线索由落魄机械发明家凯德·耶格尔开启。凯德带着女儿泰莎住在得州农场，靠修复旧机械为生。一次，他从废车场淘回一辆破旧的半挂车，却意外发现这是重伤昏迷的 Optimus Prime——它被墓风小队重创，能量核心几近耗尽。凯德出于机械师的本能修复了 Optimus，但这一举动暴露了位置：墓风小队迅速突袭农场，要消灭 Optimus 并灭口凯德一家。危急时刻，Optimus 苏醒，击退追兵，带着凯德、泰莎及泰莎的男友肖恩一名赛车手逃亡。
与此同时，人类的贪婪野心正在滋生：跨国企业 KSI 公司通过黑市收购变形金刚残骸，提取“变形元素”一种能让金属自由变形的物质，研发“人造变形金刚”。CEO 约书亚·乔伊斯宣称这是“人类掌握自己命运”的手段，却不知他们制造的核心产品“Galvatron惊破天”，其实是 Megatron威震天的意识通过残骸复苏——Megatron 借 KSI 的技术重生，暗中计划所有人造变形金刚，再次统治地球。
更大的威胁来自外太空：赛博坦星球的“Creators造物主”派来赏金猎人 Lockdown禁闭，他的目标有两个——找回 Optimus 守护的“种子”一种能将整个地球的有机物转化为赛博坦金属的终极武器，以及将 Optimus 带回赛博坦“受审”因为 Optimus 曾反抗造物主的命令，保护人类。Lockdown 驾驶巨大的战舰降临地球，用特制的“磁暴监狱”轻松捕获 Optimus，还扬言要“清理”地球。
多重矛盾最终爆发为一场末日级大战：
- 凯德等人潜入 Lockdown 的战舰，配合 Bumblebee 等汽车人营救 Optimus；
- Galvatron 叛变， KSI 的人造变形金刚军团，对芝加哥展开屠杀；
- Lockdown 释放出体内的“恐龙金刚”远古变形金刚，被他囚禁为宠物，试图摧毁种子并消灭所有反抗者。
在绝境中，Optimus 唤醒了恐龙金刚的忠诚——它们认出 Optimus 是“赛博坦的英雄”，转而加入汽车人阵营。最终，Optimus 用剑刺穿 Lockdown 的心脏，摧毁了即将启动的种子；Galvatron 见势不妙，带着残余势力逃走；凯德一家在战斗中幸存，与汽车人建立了更深的信任。
故事的，Optimus 乘上 Lockdown 的战舰，向宇宙深处飞去——他要前往赛博坦，寻找造物主，问清楚他们为何要毁灭地球。而地球表面，人类与变形金刚的矛盾并未终结：墓风小队仍在活动，Galvatron 随时可能卷土重来，一场更大的危机正在酝酿。