Há 65 milhões de anos, dezenas de naves alienígenas chegam a Terra na Era dos Dinossauros. Elas lançam diversas bombas em diferentes lugares, destruindo tudo pelo caminho e resultando na extinção dos dinossauros.
Nos dias atuais, três anos se passaram após a guerra que destruiu Chicago e agora, os gigantes robôs estão sendo caçados pelos humanos, independentemente de serem Decepticons ou Autobots.
Um pai de família chamado Cade Yeager, que vive de transformar sucata em robôs, encontra um caminhão velho e enferrujado, pensando que pode derretê-lo para transforma-lo em robôs, ele compra o caminhão do museu onde estava, o que não agrada sua filha, Tessa Yeager. Enquanto isso, uma organização chamada Vento do Cemitério caça um robô, escondido em um navio abandonado. Este robô é Ratchet, o médico dos Autobots. Durante a caçada o robô tem um de suas pernas arrancadas e é cercado pelos soldados comandados por James Savoy, que teve a irmã morta na guerra de Chicago e culpa todos os alienígenas. Ratchet informa que estão se escondendo porque os humanos estavam matando todos, porém os soldados não dão atenção e deixam o robô gravemente ferido, então chega um robô Caçador de Recompensas chamado Lockdown; ele vai até Ratchet lhe diz que se ele revelar a localização de Optimus Prime ele continuaria vivo; porém tem o pedido negado e então arranca a centelha de Ratchet.
Enquanto isso, Cade coloca o caminhão velho em sua oficina. Ele liga o caminhão em uma maquina e de dentro do caminhão sai uma voz dizendo: "Chamando todos os Autobots". Um míssil sai do caminhão e atinge a casa da família. O caminhão se transforma, revelando ser Optimus Prime, líder dos Autobots, que diz ter sido ferido em um confronto com os humanos e com Lockdown. As autoridades descobrem qual era o modo alternativo de Optimus e aonde ele está; sem demora, o Vento do Cemitério chega a casa de Cade e para força-lo a dizer onde estava o robô fazem sua filha refém; alguns soldados entram na oficina de Cade para tentar encontrar o Autobot, que está escondido abaixo do piso da oficina que ao ouvir os gritos de Tessa sai da oficina e luta contra os soldados, mas Lockdown atira um míssil tentando atingir Optimus, mas atinge a casa, que explode. Cade, Tessa e um amigo de Cade chamado Lucas fogem no carro do namorado de Tessa, Shane; mas são perseguidos pelo Vento do Cemitério. Optimus e Lockdown se confrontam, mas Optimus consegue fugir, porem Lucas morre, sendo transformado em uma estátua de pedra depois de Lockdown lançar uma de suas granadas.
Optimus, Cade, Tessa e Shane fogem e Optimus deixa-os em um posto de gasolina abandonado enquanto vai verificar se eles não foram perseguidos. Cade consegue hackear um drone usado na caçado aos robôs, que mostram as mortes do Wrecker Leadfoot e de Ratchet. Durante a manhã do dia seguinte Optimus e seus amigos humanos partem para encontrar os Autobots sobreviventes e enquanto passam pelo deserto do Novo México, Optimus avista um caminhão bem moderno e assume essa forma como modo alternativo. Agora com um rádio mais potente Optimus consegue rastrear o resto dos Autobots que estavam escondidos no deserto. Ele se junta a Bumblebee, Hound, Crosshairs e Drift. Cade mostra as imagens do drone hackeado para os Autobots que se entristecem pela perda de seus amigos. Cade revela também que os corpos dos robôs mortos eram levados para uma empresa chamada KSI onde um pequeno Autobot chamado Brains está preso numa jaula de vidro.
Cade se infiltra na sede da empresa KSI em Chicago (com uma câmera escondida e filma tudo na empresa), descobrindo que a empresa derretia os corpos dos robôs caçados e com o metal derretido eram construídos outros robôs que eram conectados as mentes de Decepticons mortos na guerra de Chicago; e entre esses robôs novos havia Galvatron, que juntava traços de Megatron e Optimus Prime. Ele encontra a cabeça de Ratchet sendo derretida e por estar filmando tudo e mandando as cenas para os Autobots eles se enfurecem e correm para a empresa. Apesar de estar disfarçado Cade é descoberto é interrogado ainda na empresa por Harold Attinger, um homem que é responsável por administrar o Vento do Cemitério. Enquanto isso os Autobots chegam para resgatá-lo; Bumblebee e Drift entram pela frente e Optimus, Hound e Crosshairs entram pelos fundos. Bumblebee resgata Cade, enquanto os outros Autobots destroem o laboratório e libertam Brains. Após fugirem, Harold pressiona o dono da empresa, Joshua Joyce a utilizar Galvatron e Stinger, um robô parecido com Bumblebee mas que se transforma em um Pagani Huayra vermelho e preto, para perseguir e capturar os Autobots. Durante a perseguição, Galvatron destrói vários carros. Ele e Optimus guerreiam. Aproveitando-se de que Optimus está batalhando com Galvatron, Lockdown captura-o junto com Tessa.
Na sua Nave-Prisão, Lockdown aprisiona Optimus junto com os Dinobots Grimlock, Slug, Scorn e Strafe, robôs com aparência de cavaleiros medievais que se transformam em gigantescos dinossauros. Lockdown recebe James Savoy e sua equipe na sua nave entregando-lhes a última semente que existe, cumprindo sua palavra de trocar a semente por Optimus Prime, e nem percebe que Tessa observou-lhe. Depois, Hound, Crosshairs e Drift resgatam Optimus e Crosshairs acaba acionando as âncoras da nave fazendo-a ficar presa aos prédios de Chicago. Bumblebee e Crosshairs lutam contra os Decepticons em cima de naves iguais as usadas pelos Decepticons na batalha de Chicago. A nave que era usada como Prisão, na verdade era uma nave separada da nave-mãe de Lockdown e é desacoplada por Hound antes da nave-mãe partir com Optimus e os Dinobots.
Após fugirem, os Autobots se reúnem perto de vagões de trens e Optimus conta que milhões de anos atrás os criadores dos Transformers extinguiram o mundo dos Dinossauros transformando os animais em ferro para a construção dos robôs. Brains revela que enquanto estava preso na base da KSI viu os robôs criados pelos cientistas sendo conectado às mentes de Decepticons mortos na guerra de Chicago e que Galvatron era só um nome dado ao robô criado pelos humanos, na realidade ele era Megatron em um novo corpo. Optimus afirma que Galvatron iria atrás da semente para explodi-la na maior cidade que encontrasse e logo após isso teria ferro suficiente para a criação de um novo exercito e isso significaria a extinção dos humanos. Eles partem para Hong Kong na nave roubada, enquanto Galvatron e Stinger são levados de avião até a base da KSI na China, onde estão sendo criados outros robôs. Joshua ordena que Galvatron não seja reativado. Ele se encontra com Harold e James onde estes lhe dão a semente; porém Galvatron se reativa sozinho mostrando que Megatron já havia tomado seu corpo totalmente; Ele começa a controlar os outros robôs formando assim novos Decepticons que destroem a base e vão para Hong Kong atrás de encontrar a semente.
Joshua se esconde de Harold e James no alto de um prédio, até que os Autobots chegam a cidade e Joshua tenta entregar a semente para eles mas um dos Traxes atira na nave que cai numa floresta perto da cidade enquanto Bumblebee, Hound, Cade, Tessa e Shane caem no prédio. Os dois Autobots lutam contra os Decepticons, enquanto Cade luta contra James no prédio; este cai do prédio e morre. Enquanto Hound e Bumblebee lutam contra Galvatron e seu exercito; Optimus liberta os Dinobots e luta contra Grimlock, tentando conseguir a confiança dele e dos Dinobots; Ao notar que lutam do mesmo lado, Grimlock para de lutar com Optimus e o obedece como líder; juntos Optimus, Grimlock, Drift, Slug, Crosshais, Scorn e Strafe correm para a cidade lutar contra o exercito de Galvatron. Quando Stinger se prepara para dar o golpe final em Bumblebee; Optimus e Grimlock salvam-no e o robô pula em Strafe, mas Stinger se segura em Bumblebee e eles começam a lutar em cima de Strafe, então, quando chegam no chão Bumblebee arranca a cabeça de Stinger e lhe dá para Strafe comer. Finalmente a Nave-Mãe de Lockdown chega a Hong Kong e Lockdown usa o imã de sua nave para tentar recapturar Optimus e os Dinobots, mas também atrai navios, carros, ônibus, e tudo de ferro por onde passa e algumas dessas coisas caem destruindo prédios, casas e ruas, além de matar muitas pessoas. Quando começa a ser atraído pelo imã, Optimus atira nele e o imã para de atrair o ferro. Optimus ordena que os Autobots deixem-no sozinho para lutar com Lockdown; Bumblebee se esconde com Tessa e Shane; Hound, Drift e Joshua correm para o litoral, enquanto Crosshairs e os Dinobots bloqueiam a ponte de acesso a praia e Cade, escondido, ajuda Optimus a lutar contra Lockdown, só que Harold aparece e ameaça matar Cade, e tentando salvá-lo, Optimus atira em Harold, matando-o, mas Lockdown enfia a espada de Optimus no peito deste; Bumblebee chega e luta contra Lockdown e no começo parece estar vencendo mas Lockdown o joga no chão, porém Bumblebee consegue fugir. Cade e Lockdown batalham enquanto Tessa e Shane tiram a espada do peito de Optimus que pega Lockdown de surpresa e o mata, lhe partindo ao meio. Optimus foge com os humanos voando, enquanto explode a granada de Lockdown, matando alguns Traxes que iam ataca-lo. Ao ver que tinha sido derrotado Galvatron foge pela floresta dizendo que um dia ele e Optimus se reencontrariam. Optimus se reencontra com os Autobots e ordena que eles protejam os humanos e viaja para o espaço para esconder a semente e como nos outros filmes, termina com uma mensagem de Optimus e que dessa vez era para os criadores de Optimus, que diz que era para os seus Criadores deixarem a Terra em paz, pois ele iria atrás deles.
