以下剧透来自《变形金刚3》（Transformers: Dark of the Moon）电影衍生小说，小说是根据电影改写的，所以两者在剧情上是一致的。如果您不愿提前知晓剧情，怕影响您观影感受，请不要继续往下阅读！
御天敌
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影片开始于变形金刚的老家赛伯坦星球（Cybertron），关于这部分的剧透请看这里。下文直接从片名之后的部分写起：
萨姆（Sam）大学毕业后和新女友卡莉（Carly）住在华盛顿，他拯救过两次世界，所有有点适应不了普通人的生活，但他还是找了份工作，试图让自己安定下来。卡莉不了解萨姆的苦闷，她为一个艺术品和汽车收藏家迪兰·古尔德（Dylan Gould）工作，后者由帕特里克·德姆西（Patrick Dempsey）饰演。与萨姆和卡莉住在一起的还有小变形金刚“转轮”（Wheelie）和它的同类小机器人。
与此同时，汽车人正与Lennox上尉一起在世界各地与人类的威胁作战。在一次与震荡波（Shockwave）的激战后，擎天柱发现一个属于一艘他们认为早已失踪的汽车人飞船的柱状物件。
霸天虎仍然留在地球上，其首领威震天（Megatron）在上一次大战后现在很虚弱，但他仍在计划着什么。
擎天柱对人类向他隐瞒实情很生气，尤其是对弗朗西斯·迈克道蒙（Frances McDormand）饰演的美国国家情报局局长夏洛特·米林（Charlott Mearing），原来多年前美国宇航员登陆月球就发现了坠毁的变形金刚汽车人“方舟”，但他们一直向世人和汽车人隐瞒。
擎天柱要求去月球一趟，他们很快就达到了那里，但没有察觉到有霸天虎尾随。在月球上，擎天柱一行人发现了“御天敌”（Sentinel Prime），他是汽车人的前任领袖，也是擎天柱的导师。汽车人把御天敌和他身边的5个柱状物带回了地球。
此时的萨姆正被他的新老板（约翰·马尔科维奇）折磨的焦头烂额，接着他被肯·郑（Ken Jeong）饰演的角色认出是变形金刚的朋友，肯·郑扮演的这个人试图告诉他霸天虎的阴谋，显然他也被迫参与了那个计划。但还没等他说出口，激光鸟（Laserbeak）就结果了他。
萨姆赶紧跑去告诉汽车人，但被拦在秘密基地外面，尽管米林局长很不情愿，但架不住别人的坚持，只好让萨姆留下来旁观事态进展。
把御天敌和五个柱状物件带回地球后，擎天柱用领导模块重启了御天敌，之后又放回自己体内。原来，那些柱状物件是“空间桥”的一部分，共有上百个，现在都不知散落何处。
米林局长开始赶萨姆回家，萨姆靠自己分析推导，得出霸天虎正在利用人类做什么，但没人听他的分析，于是他决定找退休探员西蒙斯（约翰·特特罗）帮他调查。卡莉很不高兴，她抱怨萨姆又想拯救世界了。两人吵了一场，分手了。卡莉一人去了老板迪兰的聚会。
西蒙斯把过去的经历写成了一本畅销书，现在过得很惬意，但他还是很快答应了萨姆的请求。两人先去找当年登月的宇航员，他们深信这些人一定知道内情，但都被政府下达了封嘴令。
老宇航员们向萨姆他们展示了一些当年拍摄的月球背面照片，原来那里有许许多多的柱状物件。萨姆立刻意识到霸天虎一直都知道“空间桥”的事情，他们是在利用擎天柱激活御天敌，因为御天敌是拼接空间桥的关键，他们得保护好他。
果然御天敌叛变了，他杀死了铁皮（Ironhide）和双胞胎机器人，用腐蚀性酸枪把他们熔化了，并带着柱状物件跑了。
原来，御天敌认为汽车人永远不可能取胜，所以他和威震天结盟，认为这样可以迅速实现和平。当初他开着飞船是要前往地球与威震天会面，但两人都遭到狡猾的红蜘蛛（Starscreams）的伏击，一个撞到了月球，另一个栽在了北极。
现在御天敌与威震天又可以开始他们的宏图大计了，他们唤醒了早就埋伏在月球上的秘密霸天虎军队，把他们通过“空间桥”传送到地球。
空间桥
看到如此众多的霸天虎，人类放弃了，把怨气都撒到了汽车人头上，让他们立刻离开地球。汽车人无奈只好准备登上飞船。
这时萨姆前去迪兰家的聚会想与卡莉和好，谁曾想，在帮助霸天虎的人类中，迪兰是最大的头头。他绑架了卡莉，并逼萨姆做间谍，提供汽车人的情报，看看他们是否在计划反攻，他还派了一个霸天虎机器人跟在萨姆身边，记录萨姆及其周围人的言行，如果萨姆违抗，卡莉就会死。
萨姆去找了擎天柱和汽车人，问他们有何打算，擎天柱说他们没有打算，只会默默地离开，他们就这么走了，飞船在半空中被红蜘蛛打落，汽车人似乎已经全军覆没。
萨姆只好向转行到基地工作的前军官Epps求助，求他帮自己追踪迪兰、救出卡莉。经过一番跟踪，他们发现迪兰他们在芝加哥，于是萨姆还有Epps以及后者的军中战友一起也去了芝加哥。
芝加哥此时已经变成霸天虎的乐园，好在大部分的人类幸存者已经离开。正当Epps、萨姆他们认为没有希望的时候，汽车人突然出现！原来一切都是计划好的，他们在飞船爆炸前已经偷偷逃出了飞船。
这时的御天敌和威震天正计划再次开启空间桥，这次，他们要把整个赛伯坦星球都传送到地球，让幸存的人类作他们的奴隶。
汽车人救出了卡莉，但也牺牲了Wheeljack和Mirage这两位成员。他们想从远处摧毁空间桥，但是失败了。震荡波指挥一个巨大的钻头一样的机器人，让芝加哥高楼倒塌、一片狼藉。
这时御天敌突然与威震天反目，说他不再为他工作，并把威震天推下高楼，虚弱的威震天倒下起不来了。
红蜘蛛抓到萨姆想杀死他，萨姆用钩射枪射中了红蜘蛛的眼睛，然后又把一枚炸弹固定在红蜘蛛的胸口，红蜘蛛遭受重创飞走了。
擎天柱与震荡波激战，结束了其生命，之后擎天柱用震荡波的激光武器摧毁了空间桥的灯标。萨姆这时也找到了迪兰，与他扭打在一起。最后迪兰被空间桥灯标碎片终结了生命。
擎天柱开始与御天敌对打，这时赛伯坦星球已经开始传送过来了，擎天柱根本不是御天敌的对手。萨姆、卡莉他们跑到威震天跟前，用激将法促使威震天加入到擎天柱一边，和御天敌对打。擎天柱用御天敌杀害铁皮和双胞胎的腐蚀强酸枪对准了他，结果了御天敌的生命。
威震天对擎天柱说，他也想要和平，于是擎天柱让他带着剩下的霸天虎一起回赛伯坦星球。
在废墟上，萨姆和卡莉互相表白，一旁的大黄蜂做了垫片戒指非要让萨姆求婚。
擎天柱旁白声响起，他说：任何战争，风暴之中总会有停息。有一天，我们会失去信心；有一天，我们的战友会背叛我们……但我们永远不会抛弃这个星球和他的人民。我是擎天柱，我向全宇宙发去这条讯息——我们在这，我们到家了。
影片结束。