Han pasado 4 años desde la tragedia de Chicago y la humanidad sigue reparando los destrozos, pero tanto los Autobots como los Decepticons han desaparecido de la faz de la Tierra. Ahora el Gobierno de los Estados Unidos está utilizando la tecnología rescatada en el asedio de Chicago para desarrollar sus propios Transformers. Al frente del proyecto está Joshua Joyce (Stanley Tucci), un arrogante diseñador que piensa que los Autobots son «basura tecnológica» y se cree capaz de fabricar unos robots infinitamente más avanzados. Mientras tanto, Cade Yeager (Mark Wahlberg), un mécánico inventor, encuentra un Marmon semi-trailer. Al intentar repararlo, descubre que el camión no solo era un Transformer, sino también el mismísimo Optimus Prime, líder de los Autobots. Lo que Cade ignora son las consecuencias que pueden derivarse de este hallazgo.
