Dos años después de salvar el mundo con los Autobots, Sam Witwicky (Shia LaBeouf) es en la universidad cuando un antiguo Decepticon llamado "The Fallen" regresa a la Tierra en una misión de venganza. Con la Allspark destruido, los Autobots pierden toda esperanza de volver a su planeta de Cybertron, y comenzar a trabajar con un militar de élite conocida como NEST para cazar cualquier Decepticons restante. Pero incluso en su lucha por la humanidad junto Major Lennox (Josh Duhamel) y el USAF sargento Epps (Tyrese Gibson), los Autobots son muy conscientes de que no todos los humanos están encantados con su presencia en el planeta Tierra. Cuando Asesor de Seguridad Nacional Theodore Galloway (John Benjamin Hickey) emprende una campaña climatizada destinada a desterrar los robots gigantes de vuelta al espacio, jefe Autobot Optimus Prime se compromete a cumplir con la voz de la gente, mientras que advirtiéndoles de las consecuencias potenciales de dejar el planeta sin protección. Mientras tanto, Sam lucha con un compañero de la universidad demasiado engreído, y trata de mantenerse fiel a Mikaela (Megan Fox) de rechazar los avances de bastante - y persistente - coed Alice (Isabel Lucas). Al igual que Sam comienza adaptarse a las peculiaridades de la vida en el campus, una serie de visiones inexplicables lo deja convencido de que la lucha entre el bien y el mal está lejos de terminar. Y es correcto, también, porque los Decepticons acaban de descubrir que Sam es el hombre que posee la capacidad de inclinar la balanza del poder en beneficio de los Autobots, y están decididos a ganar la mano al prescindir de él de una vez para todos. Ahora, como Sam y Mikaela desenterrar un secreto acerca de los Transformers que altera todo el curso de la historia humana, el Decepticon llamado The Fallen se prepara para regresar - y recuperar la planta una vez por todas.