No ano 484 DC., o rei Arthur da Inglaterra e seus cavaleiros guerreiam contra os bárbaros anglo-saxônicos. O rei pede ajuda para o mago Merlin que vai a uma nave alienígena, caída perto do local da batalha. Lá ele encontra o Cavaleiro alienígena Stormreing, que lhe dá um cajado de poder absoluto, mas adverte que um dia um ser maligno irá procurar por ele. Logo após, um dragão alienígena é formado e extermina os exércitos bárbaros, resultando na vitória dos ingleses.
Nos tempos atuais, três anos após deixar a Terra para buscar seus Criadores, Optimus Prime está congelado no espaço. Enquanto isso, Megatron - chamado de Galvatron no filme anterior - permanece desaparecido. O governo criou uma força paramilitar internacional para erradicar os Transformers da Terra, a TRF. Apesar dessa perseguição, os Transformers continuam chegando a Terra. Topspin/Volleybot e Roadbuster, dois Autobots sobreviventes, se escondem dessa caçada junto com o ex-agente do governo Seymour Simmons em Havana, Cuba.
Em uma área destruída de Chicago, um grupo de crianças foge de um robô-caça da TRF após entrarem em uma área de contaminação alienígena, e são salvos por uma órfã chamada Izabella, destruindo dois robôs-caças, com ajuda de seus amigos robôs: Squeeks e Canopy. Na fuga, um avião da TRF mata Canopy e um dos robôs-caças destrói o braço de Squeeks. Cade Yeager e Bumblebee chegam e destroem os robôs-caças restantes. Cade acha um Cavaleiro Cybertroniano dentro de uma nave, este lhe dá um talismã e morre pouco depois. A TRF encontra Cade e o líder da equipe, Santos, lhe interroga sobre o local em que mantem escondidos o resto dos Autobots. Ele é salvo por Bumblebee e Hound, enquanto Willian Lenoxx impede que os soldados atirem nos Autobots. Após irem embora um soldado atira um rastreador em Bumblebee.
O Decepticon Barricade observa o talismã ser entregue a Cade e informa o ocorrido a Megatron. William Lenoxx se encontra com o General Morshower e com outros dois militares que escutam a conversa de Barricade com Megatron, já que Barricade estava sendo monitorado pela CIA. Morshower diz para Lenoxx manter seu disfarce na TRF para encontrar uma arma alienígena (o cajado entregue a Merlin). Enquanto isso, Optimus cai em um Cybertron destruído, sendo reativado mas é preso e torturado por Quintessa, uma Cybertroniana, que se diz sua criadora. No Castelo de Folgan, na Inglaterra, um lorde, Edmund Burton, e seu companheiro robô, Cogman, descobrem que o talismã foi entregue a Cade. Na Universidade de Oxford, uma professora chamada Viviane Wembley é observada pelo lorde Burton, enquanto dava uma aula sobre o confronto entre os ingleses e os anglo saxônicos bárbaros 1600 anos antes.
Em Cybertron, Quintessa começa a distorcer a mente de Optimus, dizendo a ele que o único modo de salvar o seu planeta natal da destruição, seja destruindo o planeta Terra. Na Terra, Cade mantem escondidos vários Autobots num ferro-velho, lá ele descobre que Izabella e Sqweeks o seguiram. Enquanto isso, espalhados pelo mundo, começam a aparecer seis enormes chifres no mundo todo. O lorde Burton visita um chifre no Kalahari, onde vários cientistas tentam estudá-lo e concluem que é alienígena. Seymour Simmons também estuda os chifres em seu escritório. Megatron, que visitou todos os chifres, faz reféns dois agentes da CIA e para libertá-los exige que sua equipe de Decepticons (Mohawk, Dreadbot, Nitro Zeus e Onslaught) seja libertada. Os Decepticons e a TRF rastreiam os Autobots no ferro velho, e vão atrás deles. Assim que percebem o perigo, Cade, Izabella, seu empregado Jimmy e alguns robôs fogem para uma cidade abandonada, deixando para trás Hound e Trench que lutam com os Decepticons, e Grimlock e Slug que destroem alguns veículos da TRF.
Os Decepticons seguem os Autobots ao vilarejo, onde entram em confronto e Megatron perde a maioria da sua equipe, fugindo apenas com Barricade e Nitro. Vários drones da TRF chegam ao vilarejo. Cade e seus amigos fogem deles e encontram Cogman, que o convida para ir com ele ao castelo de Folgan, na Inglaterra. Após destruírem os drones; Cade, Bumblebee e Cogman vão para a Inglaterra.
Em Cybertron, Quintessa conta a Optimus que a Terra é na verdade Unicron, o destruidor de Cybertron e que apenas o cajado de poder ilimitado que pertencia a ela (os Cavaleiros Cybertronianos roubaram de Quintessa) poderia trazer Cybertron de volta a vida, então ela o renomeia de Nemesis Prime. Na Inglaterra, um robô chamado Hot Rod chega com Viviane Wembley, ao mesmo tempo em que Bumblebee, Cade e Cogman chegam ao castelo Folgan. Eles são recebidos por Burton. Ele conta a história de sua família, a ordem dos Withiwcan, e sua missão de proteger a história secreta dos Transformers na Terra. Diversos nomes da história humana, como Leonardo da Vinci e William Shakespeare, fizeram parte dessa ordem. Também Bumblebee, Hot Rod, Hound, Drift, Optimus Prime, Megatron, Starscream, Ironhide e Bulldog (um velho amigo de Burton) tiveram uma intensa participação na história da humanidade. Burton lhes mostra uma construção em volta da Távola Redonda, onde foi feito um pacto entre os cavaleiros ingleses com os Cavaleiros alienígenas. Ele conta aos dois que Cade é o Último Cavaleiro e Viviane, a Última descendente do mago Merlin. Ele também os informa que a guerra para salvar o mundo iria começar e que eles deveriam encontrar o cajado de Merlin antes que fosse tarde demais.
MI6 e TRF chegam ao castelo e Cade, Viviane, Burton, Bumblebee, Hot Rod e Cogman fogem para Londres, enquanto Hot Rod imobiliza os policiais. Cade e Viviane vão para sua casa; onde encontram uma pista de onde se encontra a localização do cajado de Merlin: Museu Naval Real. Começa uma perseguição em Londres, Bumblebee despista Barricade e Cogman causa um acidente nos carros da TRF. Eles chegam no museu, nele Burton deixa-os para se encontrar com o primeiro-ministro. Simmons envia para Burton a sua investigação de que quando os continentes eram Pangéia os chifres de Unicron estariam formando um círculo, Cybertron ceifaria a vida de Unicron em Stonehenge, por meio do cajado de Quintessa, e que a construção é o centro do mundo. Cade, Viviane, Bumblebee e Cogman vão rumo a localização do cajado dentro do submarino HMS Alliance (um Transformer).
A TRF segue eles até uma nave alienígena no fundo do Atlântico. Enquanto isso, Cybertron colide com a Lua, destruindo muitas partes do satélite, incluindo a nave Arca, de Sentinel Prime e a Apollo 11. As autoridades e a imprensa começam a divulgar essas informações, dizendo que esse poderia ser o fim do mundo.
Cade, Viviane, Bumblebee e Cogman entram na nave e encontram o cajado misturado ao corpo de Merlin numa sala cheia de Cavaleiros no estado de hibernação. Após Cybertron destruir o ISS (Estação Espacial Internacional), Quintessa envia Nemesis a nave para pegar o cajado. Um dos cavaleiros acorda e ataca a TRF, mas é destruído pelos soldados. Mais cavaleiros acordam, mas Nemesis mata os Cavaleiros e pega o cajado de Viviane. Bumblebee luta contra Nemesis em cima da nave, e quando este tenta destruí-lo, Bumblebee fala, fazendo com que Optimus recorde quem é e se livrar do controle de Quintessa. Megatron chega e rouba o cajado de Optimus. Os Cavaleiros começam a atacar o Prime, por causa de sua traição; quando estão prestes a matá-lo, o talismã de Cade se converte na Excalibur e ele defende Optimus. Os Cavaleiros param de ferir Optimus. Este se levanta e diz que o único modo de salvar a Terra é indo a Cybertron e matar Quintessa. Cybertron colide com a terra destruindo Hong Kong, O Himalaia, A Pirâmide de Quéops e os arredores de Stonehenge.
Megatron chega em Stonehenge acompanhado de Nitro Zeus e Barricade. Burton chega ao monumento, com soldados que atacam os robôs, porém, Megatron atira em Burton que fica gravemente ferido e morre ao lado Cogman. Enquanto isso os caças do governo atacam Cybertron, ao mesmo tempo em que Megatron entrega o cajado para Quintessa, que começa a fazer a ressurreição de Cybertron. Os Autobots que haviam ficado para trás chegam na nave de Lockdown, roubada por Daytrader. Eles partem para Cybertron carregando helicópteros e caças cheios de soldados, além de duas naves alienígenas roubadas. Em Cybertron os helicópters saltam e os Cavaleiros se juntam, formando Dragonstorm.
A batalha se intensifica e reforços Decepticons são enviados, mas os Autobots destroem a maioria das naves. Optimus destrói Infernocus e os Autobots chegam na câmara onde Quintessa reconstruia Cybertron. Os caças atiram numa haste acima da câmara que, ao ser destruída cai em cima da câmara, que começa a despencar. Mesmo caindo, a câmara continua a refazer Cybertron. Os Autobots lutam contra os Decepticons enquanto Viviane pega o cajado. Optimus chuta Megatron para fora da câmara, Bumblebee mata Nitro e presumidamente mata Quintessa. A câmara dessaba na Terra, mas os Autobots, Cade e Viviane fogem. Optimus fala para os Autobots que agora está na hora de ir para casa e viajam para Cybertron na nave de Lockdown junto com Dragonstorm.
Em uma cena de créditos aparece uma humana demonstrando um certo conhecimento sobre Unicron, dizendo a um homem que Unicron não gosta de ser tocado e lhe diz que sabe como destruí-lo. O seu rosto brilha, revelando que ela é Quintessa e sobreviveu. Enquanto isso, os cientistas estudam um dos chifres de Unicron que se estende para fora do Kalahari.
