6500萬年前的白堊紀時期，變形金剛創造者(五面怪)派出乘宇宙飛船的機器人部隊，在地球投下多個「種子」-一種能改造星球為其所用的炸彈，滅絕了包括恐龍在內的大多地球生物。如今，一名女地質學家達西在極地發現了一頭全身覆蓋著特殊金屬的恐龍遺體。
芝加哥大戰四年以後，生活在德克薩斯州的機械發明家伊格和朋友盧卡斯購買了一輛破舊卡車，他不僅欠債，而且還要為女兒泰莎的大學費用而發愁。伊格發現這輛舊卡車是受傷的柯博文，因此決定修復他。與此同時，中情局旗下的基風部隊在哈羅德的率領下，正在追殺剩餘的狂派，不過他對博派也沒有好感，認為博派與狂派都是危及人類和國家安全的外星人。在與外星賞金獵人禁閉(地獄獵人)的合作下，受到追擊並拒絕交代柯博文下落的飛輪被禁閉(地獄獵人)踩在腳下並殘忍地捏碎核心而死。
盧卡斯為獲得舉報外星機器人的10萬元賞金泄露了柯博文的消息，發現柯博文的蹤跡後，哈羅德讓手下薩沃率人與禁閉(地獄獵人)一起來伊格家裡搜尋柯博文，薩沃以泰莎的性命為要挾逼迫伊格，躲避中的柯博文為救伊格等人突然現身，攻擊基風部隊成員，並讓伊格、泰莎、盧卡斯逃跑，三人得到泰莎男友戴森的幫助駕車逃離此地。經過長時間的追逐後，四人甩掉了部隊，然而盧卡斯被禁閉(地獄獵人)的手榴彈擊中遇難。柯博文與剩餘的四位博派集合相遇，分別為大黃蜂、獵犬、準星和甩尾。
伊格黑了一架敵人派出的微型無人偵察機，得知軍工生產企業KSI（片中顯示中文名字為建能科技集團）與基風部隊是合作夥伴，於是他們決定趕赴芝加哥KSI總部獲取一些真相。KSI老總約書亞向員工達西展示了公司的最新科研成果，利用變形金剛的身體殘肢可以製造出隨意改變形狀的產品，即人造變形金剛。他還利用一顆變形金剛的大腦創造出了一種升級版的變形金剛——格威龍，不過它來自於死去的密卡登。
伊格和戴森進入KSI後，發現了飛輪的殘骸，這讓柯博文和其他幾位博派大為惱怒，他們很快闖入進來開始了破壞行動，並援救了被發現身份而被抓的伊格也釋放了腦殘。約書亞制止博派的破壞並告知由於可以自己製造變形金剛，因此人類不再需要博派了，事後約書亞出於安全考慮決定趕赴中國大陸廠區，同時可以利用以後到手的種子在蒙古引爆以創造更多的製造人造變形金剛所需之材料。
在博派等離開KSI的路上，約書亞釋放格威龍和螫刺﹝毒刺﹞去攔截追逐博派，柯博文在與格威龍打鬥時遭到禁閉(地獄獵人)的偷襲，受傷的柯博文成為禁閉(地獄獵人)的俘虜，受困於車中的泰莎和柯博文一同被關入宇宙飛船之中。禁閉(地獄獵人)告訴柯博文創造者要他回去，柯博文與機器恐龍囚禁在一起。在飛船起飛之前，禁閉(地獄獵人)將一顆種子給了哈羅德，以作為他幫助捕獲柯博文的回報。很快，伊格、戴森和其他幾位博派為了救回柯博文和泰莎，潛入到了飛船之中並用鐵鏈勾住大樓以阻止飛船離開。在大黃蜂和準星的幫助下，伊格和戴森救回了泰莎，而後獵犬和甩尾則解救了柯博文。柯博文還與獵犬和甩尾三人駕駛飛船裏的一個機艙逃離飛船。
柯博文和腦殘認為密卡登其實利用了KSI之手，以格威龍的身份再次復活，並操控了其他人造變形金剛，意圖滅絕人類和創造新的狂派們，伊格將這個消息告訴給了正在廣州的約書亞。聽到此消息後，約書亞儘管從哈羅德手中獲得了種子，但是並沒有支付哈羅德酬金。同時格威龍一眾五十個人造變形金剛自動啟動，出於安全考慮約書亞帶著種子和同事蘇月明開車逃往香港以獲得人力支援，身後則是哈羅德率領薩沃駕車的追殺。
約書亞等人到了香港雙方人馬繼續展開追逐，很快柯博文等人駕駛的飛船趕來，然而飛船受到格威龍等人的偷襲，尚在裡面的柯博文、準星和甩尾隨船跌落一處山谷。另一方面，大黃蜂和獵犬兩人在香港忙於對付並打死了許多格威龍手下的人造變形金剛；而伊格在與薩沃的打鬥中將對方推下高樓致其身亡。柯博文在山谷馴服了機器恐龍鋼索使其成為其坐騎，而嘲笑和鐵塊則分別成為準星和甩尾的坐騎。三人回來後聯合大黃蜂和獵犬消滅掉了格威龍手下的一眾機器人，格威龍出於安全則躲了起來。
最後禁閉(地獄獵人)駕駛飛船根據種子發出的信號追來，受到巨型飛船的磁力作用，許多鐵質物被吸起又掉下。哈羅德在與伊格較量時被柯博文射殺。柯博文在與禁閉(地獄獵人)單獨決鬥時不敵對手，並被禁閉(地獄獵人)用自己的劍插入胸口而卡在墻邊，即使伊格和大黃蜂的聯手攻擊也不敵禁閉(地獄獵人)。不過柯博文在泰莎和戴森的協助下成功脫身，更在伊格性命緊要關頭用劍劃破了禁閉(地獄獵人)，並用炸彈將其徹底消滅。遠處觀看的格威龍表示以後會再找柯博文報仇。
眾人匯合後，柯博文讓恐龍戰騎獲得自由，他稱自己要帶著種子回到宇宙尋找造物主並發出訊息，他囑託其他幾位博派成員留下以守衛人類的安全，而後獨自飛向宇宙的深處。
“ 宇宙中很多謎團是我們永遠無法解開的，但我們的身份以及存在的原因，並非無法解答，這些答案就在我們軀體之中。我是柯博文，我要向我的造物主們發出一條訊息，請不要找地球的麻煩，否則我也一定會來找你們的麻煩。——柯博文”
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