Sam Witwicky har holdt lav profil med sin kæreste Carly siden sit sidste intermezzo med Transformers-robotterne, men da en farlig hemmelighed dukker op på den mørke side af månen, må han igen hjælpe de gode autobotter i kampen mod decepticonerne, der ønsker at tage magten over jorden og menneskeheden. Som konflikten mellem de forskellige Transformers eskalerer, kommer Chicago i fare for at blive udslettet af kæmperobotterne, og Sam sætter alt ind på at redde sig selv, sine kære og byen.