Han pasado dos años desde que Sam Witwicky (Shia LaBeouf) y los Autobots salvaran a la raza humana de la invasión de los Decepticons. Ahora se prepara para el mayor desafío de su vida: salir de casa y marcharse a la universidad. Sam sigue siendo un adolescente normal con las preocupaciones cotidianas y la emoción de hacerse adulto, separándose de sus padres (Kevin Dunn y Julie White) por primera vez y comprometiéndose a serle fiel a su novia Mikaela (Megan Fox). Con la destrucción de la Allspark, Cybertron, el planeta donde vivían los Transformers, se ha vuelto inhabitable, y los Autobots sobreviven como pueden en la Tierra, trabajando conjuntamente con el ejército como parte de un equipo secreto llamado NEST, cuya finalidad es atrapar a todo Decepticon que pueda seguir escondido en la Tierra. Por desgracia, aunque los Autobots intentan llevar una nueva vida entre los humanos, descubren que puede que no sean bienvenidos. Un asesor de seguridad del gobierno, Theodore Galloway (John Benjamin Hickey), está decidido a demostrar que todos los Transformers deberían ser expulsados de la Tierra. Mientras tanto, en la universidad, Sam hace lo que puede por acomodarse a la vida universitaria, hasta que es asaltado de pronto por visiones que chispean como rayos por su cerebro.