距今50多年前，一艘来自赛博坦的飞船坠落月球，由此引发了美苏两国的太空竞赛。人类争相登上月球，只为一探飞船残骸中的秘密。时间回到21世纪初，经过几番征战，汽车人终于挫败霸天虎的入侵，继而与人类合作，共同保卫美丽的地球。然而发生在切尔诺贝利的事件却将尘封已久的月球计划重新摆到桌面。为了防止霸天虎找到能量柱为非作歹，擎天柱与战友飞赴月球，更从当年的飞船中救出了汽车人的先代领导者——御天敌。御天敌是能量柱的发明者，将上百根能量柱集合在一起便可制造太空桥，实现物质的瞬间传送。　　忙着找工作以及和女友卡莉（罗茜·汉丁顿-惠特莉Rosie Huntington-Whiteley 饰）经营爱情的山姆（希亚·拉博夫 Shia LaBeouf 饰）无可避免地卷入其中，他渐渐发现霸天虎的操纵一切的阴谋，却不知更大的阴谋和危机隐藏在那月影背后……

杰夫（扎克·加利凡纳基斯 Zach Galifianakis 饰）与凯伦（艾拉·菲舍尔 Isla Fisher 饰）是一对住在城郊的夫妇，而他们发现新搬来的邻居并不简单。这对新搬来的夫妇蒂姆（乔恩·哈姆 Jon Hamm 饰）与娜塔莉（盖尔· 加朵 Gal Gadot 饰）过得可谓是光彩夺目，精致无比。而当他们发现琼斯夫妇实际上是秘密特工后，事情就变得更加复杂了。

　　暴风雨侵袭中的大西洋城，一场拳赛正在体育馆中预备上演，当地警探瑞克（尼古拉斯·凯奇NicolasCage饰）在敲诈赌客之余亦不忘为老拳王泰勒打气。这场比赛同时吸引到了国防部长莅临现场，担任部长护卫的海军长官凯文得以同老友瑞克见面，两人相谈甚欢。拳赛开始后，一名红发女子吸引了凯文的注意，另一名银发女子则与部长交头接耳，泰勒中拳倒地的刹那，部长中枪，凶手被凯文当场击毙。瑞克为自责中的凯文出谋划策，滞留全场一万多名观众。从比赛录像中，瑞克发现拳赛有假，以泰勒为突破口，瑞克锁定幕后的几名可疑人员，逼迫真凶出面将同伙灭口。同时银发女子茱莉亚向瑞克透露了事情真相，军火商为盈利在飞弹试验结果中作假，为防止事情败露暗杀了部长。瑞克决定拾起警察的责任，将罪犯绳之以法。

　　军方和汽车人的秘密合作计划面临被取消的危险，而重新复活的威震天和红蜘蛛引领霸天虎军队，密谋夺取能量源，企图在地球掀起又一场腥风血雨。
　　此时主人公萨姆（希安·拉博夫ShiaLaBeouf饰）告别相恋的女友米凯拉（梅根·福克斯MeganFox饰），要开始自己梦寐以求的大学生活了，但一切似乎都不那么顺利，一块小小的魔方碎片似乎在给予萨姆某种启示。为了获取魔方里的信息，霸天虎开始了对萨姆的追击，擎天柱为了保护萨姆而牺牲，萨姆受其感召，决定重新担负起自己的使命。
　　萨姆在自己室友里奥（雷蒙·罗德里格斯RamonRodriguez饰）和“机器战士”西蒙斯（约翰·托尔托罗 JohnTurturro饰）的帮助下，与女友米凯拉根据魔方碎片给萨姆的提示来到了埃及，他们在金字塔里发现了能量源。而此时，霸天虎的军队也赶到了埃及。军方此时有一小队人马也在西荤斯的要求下带着擎天柱的尸体来到了埃及，善恶双方力量在那片金色的沙漠展开了殊死搏斗。