数千年前。マクシマル（獣型のトランスフォーマー）が暮らしていた星には、高度な科学技術によって開発された「トランスワープ・キー」が存在していた。勇敢ながらも平和を尊ぶマクシマルたちは、この時空を超えることのできるキーを使って若い星々を訪れ、宇宙に生命を広めていた。
しかし、星々そのものを糧とする巨大で邪悪な存在「ユニクロン」がトランスワープ・キーを奪おうとし、部下のスカージに命じてマクシマルの星を襲撃させる。わずかな仲間とともにキーを持って星を脱出したゴリラ型のマクシマル、その名は伝説の勇者にちなんで「オプティマスプライマル」となった。
1994年、ブルックリンに住む元軍人の青年ノア・ディアスは、病気の弟と母と共に暮らしながら仕事を探していた。生活のためにやむなく車の盗難に手を染めるが、その車は変形型ロボット「ミラージュ」だった。
一方、エリス島の博物館に勤めるインターンのエレーナは、偶然にも5000年前の鳥の像の中からトランスワープ・キーの片割れを発見する。キーは強烈な光を放ち、その光を頼りにオートボットのリーダー・オプティマスプライムたちは行動を開始する。
ミラージュに連れられてオートボットたちと出会ったノアは、彼らとともにキーの保護に協力することに。だがその頃、ユニクロンの部下スカージも地球に降り立っていた。博物館での戦いでオートボットたちは敗れ、キーを奪われてしまう。
現れた鷲型マクシマルのエアレイザーは、奪われたのはキーの片方だけであり、もう一方が必要だと説明。手がかりを探す中、インカ神殿に同じ文字が描かれていることを突き止めたエレーナの案内で、一同はペルー・クスコへと向かう。
神殿地下でプライマルたちと合流し、キーのもう一方を発見するが、スカージの追撃により再び危機に陥る。ノアはキーを壊そうとするが、オプティマスの帰還への想いに心を動かされ、行動をためらってしまう。
スカージが2つのキーを繋げて巨大な時空の扉を開く。ユニクロンが侵攻する中、エレーナはこれまでの知識を活かして閉鎖コードを復元。オートボットとマクシマルが激戦を繰り広げる中、オプティマスはスカージを打ち倒すが、スカージは死に際にコードの入力装置を破壊する。
絶望の中、オプティマスは自らキー本体を破壊し、ユニクロンの侵入を阻止する。爆風で巻き込まれた彼は、ノアとプライマルに救出される。
帰還の道を絶たれたオプティマスは、新たな友と共に戦い続けることを誓い、ノアもまた「巨大な友人たち」と共に地球を守る秘密組織「G.I.ジョー」にスカウトされる。
