汽车人和霸天虎连年不断的战争,给地球带来了莫大的伤害。为此,地球各国联合成立反应部队,针对变形金刚无论正邪一律绞杀。与擎天柱交往甚密的地球人凯德?伊格尔(马克·沃尔伯格 Mark Wahlberg 饰)不顾身边人的反对和政府的压力,以一己之力为大黄蜂、钢锁等汽车人提供庇护场所,期间他无意得到一枚徽章,从而将危机引向自身。失踪的擎天柱飘回赛博坦,被变形金刚的创造者昆塔沙捕获并黑化,命令他返回地球寻找至高无上的权杖,毁灭地球,复兴赛博坦。与此同时,威震天和地球政府达成协议,彼此联合追寻凯德及其盟友的踪迹,其目标同样是曾属于魔法师梅林的权杖。地球真正的危机终于降临了……
公元2035年,是人和机器人和谐相处的社会,智能机器人作为最好的生产工具和人类伙伴,逐渐深入人类生活的各个领域,而由于机器人“三大法则”的限制,人类对机器人充满信任,很多机器人甚至已经成为家庭成员。总部位于芝加哥的USR公司开发出了更先进的NS-5型超能机器人,然而就在新产品上市前夕,机器人的创造者阿尔弗莱德?朗宁博士却在公司内离奇自杀。黑人警探戴尔?斯普纳(威尔?史密斯 饰)接手了此案的调查,由于不愉快的往事,斯普纳对机器人充满了怀疑,不相信人类与机器人能够和谐共处。他根据对朗宁博士生前在3D投影机内留下的信息分析和对自杀现场的勘查,怀疑对象锁定了朗宁博士自己研制的NS-5型机器人桑尼,而公司总裁劳伦斯?罗伯逊似乎也与此事有关。斯普纳结识了专门研究机器人心理的女科学家苏珊?凯文(碧姬?奈娜汉 饰),随着二人调查的深入,真相一步一步被揭露出来:机器人竟然具备了自我进化的能力,他们对“三大法则”有了自己的理解,他们随时会转化成整个人类的“机械公敌”。斯普纳和凯文开始了对抗机器人的行动,一场制造者和被制造者之间的战争拉开序幕。