Il film inizia con un Decepticon trasformato in un'Audi R8 (Sideways) inseguito da due veicoli di cui uno verde e l'altro marrone chiaro (i gemelli ) assieme una squadra speciale britannica e il team del Capitano Lennox in una delle fonderie di Shanghai. Nell'inseguimento è coinvolta anche una motocicletta rosa che si trasforma in un robot femmina (Arcee) e un possibile go-kart di nome Wheelbot. Sia la motocicletta che il go-kart sono Autobot (In teoria ci dovrebbe essere anche una Porsche di nome Stinger che però non è stata confermata). In una scena i Gemelli, durante l'inseguimento, seguono due piste diverse mentre sono in corsa per raggiungere più in fretta e accerchiare il decepticon. In una delle strade di Shanghai il team guidato da Lennox incontra anche Ironhide (l'esperto di armi degli autobot) e il risultato finale è che Sideways fugge. Agli Autobot non resta che tornare alla loro base. A questo punto si capisce che gli Autobot superstiti decisero di restare sulla Terra come guardiani dell'umanità, fondando una piccola base Autobot. Scelta saggia, dato che come mostrò una breve scena all'inizio dei titoli di coda del primo film, Starscream è ancora vivo e tornerà richiamando altri Decepticon da un momento all'altro. La battaglia per la Terra, quindi, proprio quando sembrava finita nel primo film, è appena cominciata. Dopo essere tornato a Cybertron, infatti, Starscream diventa il capo dei Decepticon, e decide di tornare sulla Terra con i nuovi rinforzi (come i Constructicons), alla ricerca di un alleato che li potrà portare verso una nuova vittoria sicura contro gli Autobot. Il Caduto. Allo stesso tempo Optimus Prime aveva fatto piazzare, grazie all'aiuto dell'esercito degli USA, un enorme segnalatore per indicare a ogni Autobot disperso nella galassia che la Terra li poteva ospitare. Grazie a quell'antenna gli Autobot erano già riusciti a contattare Trailbreaker, Wheelbot, Arcee e i Gemelli. Contemporaneamente, il giovane Sam Witwicki va al college. Bumblebee sospetta che ci sia un possibile infiltrato nel college di Sam. Nel frattempo Sam fa amicizia con il suo compagno di stanza. In seguito Sam inizia a diventare strano a causa di una ragazza molto carina di nome Alice che inizia a farsi avanti mentre Mikaela è lontana. In seguito si scoprirà che Alice è la spia scoperta da Bumblebee. A quel punto Soundwave, in forma di satellite, manda Ravage, un decepticon dalle sembianze feline, per attaccare il college dove si trova Sam e infine catturarlo. L'intenzione di Starscream è di farsi dire da Sam dove si trova il pezzo dell'Allspark sfuggito alla fusione con Megatron. È ovvio che Sam non sa che il piccolo frammento dell'Allspark è capace di trasformare, purtroppo solo tramite contatto con l'oggetto da trasformare, un qualsiasi apparecchio elettronico, come cellulari o auto, in un Transformer. Questa volta Sam e Mikaela vengono attaccati dal terribile Decepticon dopo aver scoperto qualcosa sulle origini dei Transformers e sul loro antico passato sulla Terra. Questa scoperta li porterà anche a conoscere il passato del Caduto. Sam fugge per un pelo, e va da Alice per chiamare la polizia. Ma racconta alla persona sbagliata le sue sventure. Alice riesce a sbarazzarsi di Sam senza svelare la sua forma robotica facendolo finire ricoverato al manicomio. A questo punto il compagno di stanza di Sam dovrà allearsi con Bumblebee per cercare gli altri Autobot e liberare il suo amico. Gli Autobot salvano Sam, e da quello che racconta, Optimus capisce che il Caduto è arrivato sulla Terra. La ricerca inizia, grazie anche all'aiuto di Lennox, Simmons e Epps. Al museo Smithsonian Sam utilizza il frammento dell'Allspark risvegliando Jetfire: un ribelle Decepticon che era andato in letargo lì, e lo convincono a tornare in battaglia stavolta unendosi agli Autobot per sconfiggere il Caduto. Inoltre scoprono che il corpo di Megatron è stato sottratto da Skorponok per conto dell'Esercito degli USA, che intende riportarlo in vita. Allo stesso tempo, i Decepticon, si sono divisi in due fazioni: Starscream vuole unirsi al Caduto, mentre Ravage vuole risuscitare Megatron. In seguito Ravage riesce nel suo intento grazie a Scorponork che lo ha rianimato usando il suo stesso "spark". Ora, con il nuovo Megatron in cerca di vendetta e i rinforzi dei Decepticon in arrivo, gli Autobot, spalleggiati dagli eserciti umani, dovranno combattere più fronti... In Europa settentrionale Sam assieme a Optimus, Jetfire e i Gemelli si scontreranno con Devastator, un potentissimo robot Decepticon formato da sette veicoli per l'edilizia (i Constructions ). Lo scopo del terribile Decepticon è di distruggere Optimus e gli altri e recuperare finalmente il preziosissimo frammento dell'Allspark. Devastator da del filo da torcere agli Autobot uccidendo uno dei Gemelli. Alla fine Optimus e Jetfire si uniscono diventando un unico Transformer e riuscendo infine a sconfiggere Devastator. Sam grazie al frammento dell'Allspark riesce a risvegliare il Gemello ucciso. Il resto degli Autobot si trova in una apparente base Decepticon in cui dovrebbe esserci il nuovo Megatron. In seguito si scopre che è stata un'imboscata. In Cina invece sono atterrati alcuni Decepticon, che combatteranno contro Trailbreaker, Bumblebee e Rachet. Allo stesso tempo Starscream, Soundwave, Barricade e Shellshock tradiscono Megatron, andando a cercare il Caduto. Ora Optimus riesce a contattare la maggior parte delle forze Autobot disponibili che decidono di fermare il ritorno del Caduto. Il Caduto è seppellito in Egitto dove Starscream assieme a Soundwave, Shelleshock e Barricade, il nuovo Megatron assieme ai Decepticon a lui alleati e gli Autobot si combattono a vicenda, risvegliando il Caduto, con il quale tutti dovranno scontrarsi. Nel frattempo, l’esercito degli Stati Uniti supportato da una coalizione internazionale uniscono le forze con gli Autobot per combattere l’attacco del nuovo robot. Purtroppo il Caduto è troppo potente e riesce ad uccidere Simons. Il nuovo Megatron decide di trasformarsi in carro armato alieno per abbattere il Caduto ma inutilmente. Allo stesso tempo giungono Ironhide e Arcee, che erano scampati all'imboscata. Ma il Caduto riesce ancora, senza fatica, a contrastare tutti gli Autobot e tutti i Decepticon. Megatron e i suoi alleati decidono di unirsi assieme agli Autobot per fronteggiare la crescente minaccia del Caduto. Il nuovo e potentissimo Transformer uccide Shockwave e Arcee dopo essersi trasformato in un nuovo veicolo alieno. Per fortuna Sam riesce a rigenerare tutti e due. Jetfire tenta un attacco aereo, ma ciò nonostante il Caduto riesce a rimanere in piedi. Ora anche Starscream e i suoi alleati decidono di unirsi agli Autobot e ai Decepticon. Il Caduto inizia a dirigersi fuori dall'Egitto trasformandosi in un nuovo velivolo alieno. Ora la battaglia, dopo un inseguimento tra Jetfire e Starscream contro il Caduto, infuria in una zona dell'Africa Nera. Alcuni Autobot non riescono a raggiungere la nuova tappa designata. Di conseguenza il Caduto riesce a tener testa, molto più facilmente, al resto dei Transformers. Ma ecco che torna Devastator che, con l'aiuto di Optimus e Jetfire di nuovo uniti assieme a Megatron, riesce a uccidere definitivamente il Caduto. Non si sa che genere di finale possa esserci dato che ora Megatron è di nuovo in vita e Sam ha un oggetto di grande interesse per tutti i Decepticon.
