電影一開始揭示了尤尼克隆吞噬強大金剛故鄉星球的過程。作為一顆難以移動的活體星球，尤尼克隆派遣了大量手下展開入侵行動，其中包括無數機械巨蠍，以及三位恐懼金剛手下——災厄、圈套與夜鶯，對星球地表進行全面掃蕩。這場入侵的目的不僅是為了吞噬星球本身，更重要的是奪取強大金剛族所擁有的關鍵科技「傳送鑰匙（Warp Key）」。當強大金剛族的領袖聖猿（Apelinq）遭機械巨蠍追擊時，幸好金剛王與神鷹及時趕到支援。聖猿將領袖的責任託付給金剛王，並交給他傳送鑰匙，要他立刻離開星球，以免尤尼克隆掌握超光速傳送的能力、對宇宙造成災難。
聖猿自願留下來拖延時間，與災厄展開決戰，最終戰敗，強大金剛的象徵標誌也遭災厄奪走，並焊接於其肩甲上。所幸金剛王、神鷹等人成功逃離，並透過傳送鑰匙進行空間跳躍，使尤尼克隆一時無法追蹤。稍後，強大金剛來到地球，為了保護傳送鑰匙，他們將鑰匙與啟動密碼分成兩半，由金剛王與神鷹各自率領的族人分別保管。金剛王與犀牛、黃豹等人隱居於南美洲一處偏遠部落，與當地人類和平共處。然而，強大金剛族的數量也隨時間逐漸減少。
時間快轉至1994年，故事轉至布魯克林的主角諾亞，他與母親布萊安娜及患病的弟弟克里斯相依為命。退伍後的諾亞生活困頓，找工作處處碰壁，原本堅持不重操舊業，卻因克里斯的醫療費所逼，最終勉強答應參與一場偷車計畫。某晚，他潛入一場富豪派對的地下停車場，試圖偷走一輛保時捷964，卻沒料到那台車其實是博派臥底潛伏的幻影。諾亞被幻影困在車內，並因此引發一場警匪追逐。
同一時間，在布魯克林工作的考古學家艾蓮娜趁上司吉蓮不在，私自研究一座來自南美的老鷹雕像，結果意外啟動了藏於其中的傳送鑰匙一半。這次啟動釋放出巨大的電磁波，雖然人類察覺不到，卻如同強光般吸引變形金剛的注意。柯博文率領的博派金剛，以及遠在宇宙另一端的恐懼金剛皆感應到訊號，尤尼克隆也命令災厄、圈套與夜鶯前往地球。
幻影隨後將諾亞帶往博派的秘密基地會合，雖引發柯博文的不滿，但眾人決定共同合作，由諾亞潛入博物館偷取鑰匙，以協助博派返回賽博坦，而諾亞則打算將幻影「變賣」以籌得醫藥費。
諾亞潛入博物館與艾蓮娜發生爭執，正巧此時恐懼金剛現身博物館，發起攻擊。柯博文等博派金剛與敵人展開激戰，災厄更派遣迷你金剛冰凍與諾瓦肯追殺諾亞與艾蓮娜。災厄在戰鬥中殺死大黃蜂，並取下其博派標誌焊於盔甲上。危急時刻，神鷹趕到支援，救出剩餘成員，但傳送鑰匙的一半仍被奪走，神鷹也被災厄植入控制裝置。
神鷹隨後向諾亞、艾蓮娜與博派說明傳送鑰匙與強大金剛的歷史，眾人決定前往南美洲找尋金剛王與另一半鑰匙。諾亞原本打算破壞鑰匙以保護地球，在返家準備行李時向弟弟坦白幻影的身份，克里斯則拜託幻影保護哥哥。最終，全員搭乘同溫層前往南美洲，與當地駐守的輪傑會合。
在神鷹帶領下，眾人抵達強大金剛的隱居地。諾亞與艾蓮娜負責潛入地下尋找鑰匙，恐懼金剛則緊隨其後，等待博派先找到鑰匙再下手奪取。諾亞與艾蓮娜在地下成功取得鑰匙，並與輪傑會合，但神鷹遭災厄植入的控制裝置發作，最終被金剛王親手終結以免失控。恐懼金剛成功奪走鑰匙，開始進行召喚尤尼克隆的儀式，準備將其傳送至地球。
博派與強大金剛經過討論後決定展開反攻，並由諾亞與艾蓮娜負責潛入儀式平台下方偷取鑰匙。在決戰中，同溫層將受鑰匙能量波影響而復活的大黃蜂送回戰場，他在重返之際擊殺夜鶯，並協助柯博文與金剛王解決圈套。艾蓮娜順利接觸鑰匙啟動裝置，但諾亞在過程中被災厄發現。關鍵時刻，幻影現身阻止災厄，卻在對方猛烈炮擊下重創。臨終前，幻影將自身僅存可動零件組合成一套戰鬥裝甲交給諾亞，使其擁有對抗災厄的能力。柯博文最終成功斬殺災厄，奪回大黃蜂的標誌，艾蓮娜也成功中斷傳送儀式，導致平台崩解，尤尼克隆被迫中止傳送。
戰鬥結束後，博派與強大金剛告別，搭乘同溫層返回北美。諾亞與艾蓮娜回歸日常生活，艾蓮娜因考古成就嶄露頭角，而諾亞則利用戰鬥服的零件與自身電子技術成功修復幻影。不久後，諾亞接受一場神秘面試，發現行動早已被美國特種部隊掌握，而他也即將進入這場更大規模的戰爭。
