塞博坦星内战如火如荼，在危机时刻，擎天柱将大黄蜂派往地球，等待重新建立基地的时机。此后，大黄蜂降落在1987年的加州，谁知不仅先遭到特工杰克·伯恩斯（约翰·塞纳 John Cena 饰）的围捕，更被尾随而来的霸天虎成员殴至重伤，失去了声音的同时还丧失了记忆。另一方面，正在叛逆期的少女查莉·沃特森（海莉·斯坦菲尔德 Hailee Steinfeld 饰）阴差阳错得到了变形成大众甲壳虫的大黄蜂，双方相互试探，进而成为亲密无间的好朋友，同时也闹出了不少的笑话。好景不长，霸天虎成员粉碎和反弹球追至地球，他们先是骗取美国政府的信任，通过卫星网络找到大黄蜂的踪迹，之后更企图将霸天虎大部队召唤到这里。

地球陷入毁灭危机，擎天柱失踪，越来越多的汽车人和霸天虎来到地球，前海豹突击队成员威廉·伦诺克斯成为了政府军组建的TRF中的一员，负责绞杀地球上的汽车人——不论好坏。在芝加哥街头，伦诺克斯遇到了凯德·伊格尔和孤儿伊莎贝拉。凯德因为帮助、支持汽车人而成为政府通缉犯，所以他在一个垃圾场看管着一群幸存的汽车人。与此同时，失踪的擎天柱被女巫昆塔莎黑化，要毁灭地球。拯救世界的责任于是落在了这支由凯德为首的非同寻常的队伍身上，大黄蜂、一位英国爵士还有一位牛津大学教授，一场史诗浩劫彻底将地球变成了战场。

当年那场惨烈的芝加哥大战，汽车人虽然成功击退了霸天虎的入侵，却也让地球人对他们失去了应有的信任与尊重。由美国中情局组建的“墓风”部队对所有的变形金刚进行无差别的猎杀，一时间汽车人和霸天虎全都在地球不见了踪影。某天，居住在得州的落魄机械发明家凯德·伊格买回来一辆破旧的卡车车头，谁知那竟是处在休眠中的汽车人首领擎天柱。嗅到气息的墓风部队蜂拥而至，苏醒后的擎天柱救走了凯德一家，也和散落在各个角落的汽车人相继取得联系。另一方面，疯狂的人类科学家从变形金刚的残骸中获知了他们变形的秘密，并企图借此制造出人造金刚，而脱胎自威震天的惊破天正是他们的得意作品以及催命死神。新一轮的危机卷土而来，地球面临更大的灾难……

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。

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。此时主人公萨姆告别相恋的女友米凯拉，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和“机器战士”西蒙斯的帮助下，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。

霸天虎的先遣部队袭击了美军军事基地，高中生萨姆·维特维奇成为了攻击目标。萨姆是名高中生，学校里没有人相信他讲述的关于这副眼镜的历史，失望之余，萨姆把眼镜放到网上拍卖，然而从未引起买家的兴趣。

上世纪70年代，一支集结了科考队员、探险家、战地摄影记者、军人的探险队，冒险前往南太平洋上的神秘岛屿——骷髅岛。他们的到来惊扰了岛上之神——史上最大金刚。经过一番惨烈的激战之后，探险队员散落在了岛屿各处。此时，队员们才意识到这次探险并不是一次单纯的科考任务，而是去探索怪兽存在的证明。

上世纪70年代，一支集结了科考队员、探险家、战地摄影记者、军人的探险队，冒险前往南太平洋上的神秘岛屿——骷髅岛。他们的到来惊扰了岛上之神——史上最大金刚。经过一番惨烈的激战之后，探险队员散落在了岛屿各处。此时，队员们才意识到这次探险并不是一次单纯的科考任务，而是去探索怪兽存在的证明。

导演率领拍摄组来到神秘的骷髅岛开始了一部电影的拍摄，女主角安在纽约的演艺事业陷入了低谷，这是她时来运转的大好机会。他们乘坐轮船来到岛上，却不知在岛上即将要险象横生。正当导演要开始开机拍摄时，他们遭到了当地土著的袭击，几个随行人员遇难身亡。摄制组慌忙逃离，幸好起航离去，却发现不见了女主角安。原来安被土著野人抓走，被当作祭品。安尖声惊叫，引来了传说中骷髅岛的猩猩——金刚的关注。金刚在岛上很有霸气，连恐龙都要忌惮。

著名影星詹二帮常常出演英雄类人物角色，但现实生活中胆小如鼠，与妻子和两个女儿生活。铁男和Janet是国际刑警，发现恐怖分子龙一将在香港取生化武器，二帮家中发现丢失的病毒。在与恐怖分子斗争中，二帮展现出勇敢才智，成功抓捕犯罪分子，赢回家庭团聚。

故事发生在2029年，彼时，X战警早已经解散，作为为数不多的仅存的变种人，金刚狼罗根（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）和卡利班（斯戴芬·莫昌特 Stephen Merchant 饰）照顾着年迈的X教授（帕特里克·斯图尔特 Patrick Stewart 饰），由于衰老，X教授已经丧失了对于自己超能力的控制，如果不依赖药物，他的超能力就会失控，在全球范围内制造无法挽回的灾难。不仅如此，金刚狼的自愈能力亦随着时间的流逝逐渐减弱，体能和力量都早已经大不如从前。

在加拿大的深山老林，背负着永生之苦的“金刚狼”罗根（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）隐居于此。在一次与猎人的冲突中，他得到东瀛女子雪生（福岛莉拉 饰）的帮助。雪生是罗根二战期间的旧相识矢志田派来的下属，似乎不久于人世的老友渴望死去之间再见罗根一面。跨越重洋的罗根终于见到在虚弱的矢志田，对方希望他能够保护自己的孙女真理子（冈本多绪 饰）。随着老人谢世，葬礼上突然战火点燃。罗根在雪生的帮助下拼死救出真理子，而矢志田的儿子信玄（真田广之 饰）似乎另有所图。逃亡途中，罗根意外发现他丧失了自愈的能力，金刚狼最大的危机降临……

金刚狼的原名是詹姆斯霍莱特，出生于19世纪末垢加拿大的一个锤富裕家庭，他天生体弱但是骨骼惊奇，而且他的家庭并不和睦，所以小詹姆斯性格内向而且孤僻。他一直就这样平静而枯燥地生活着，直到有一天晚上，园丁罗根杀死了父亲，丧父之痛让小詹姆斯激发了体内的奇特能力，他从身体里长出了由骨骼形成的“骨爪”，小詹姆斯用“骨爪”杀死了罗根。然而没想到的是，其实罗根才是小詹姆斯的生父，生父在临死前告诉了金刚狼他的身世。于是小詹姆斯和哥哥维克多两人出逃。之后，两人参加了多次的战争，从一战一直打到越南战役。后来兄弟二人被史崔克将军招募，从事特种工作，厌倦了杀人的金刚狼后来脱离组织，才到了加拿大的林场当伐木工，改名为罗根。

汽车人和霸天虎之间的内战结束后，马尔托一家从费城搬到了宾夕法尼亚州的小镇 Witwicky。在那里，年轻的罗比和莫马尔托见证了一个新品种的变形金刚的诞生称为人族，他们形成了一个债券与两个。现在被收养到这个家庭，人族和孩子们一起工作，保护他们的新生活，并在世界上找到他们的位置。

安土著野人抓走，被当作祭品。安尖声惊叫，引来了传说中骷髅岛的猩猩——金刚的关注。金刚在岛上很有霸气，连恐龙都要忌它几分。然而，野兽爱上了美人，金刚搭救安脱离困境，不料却让自己陷入了一场悲剧。