变形金刚3讲述了发生在月球背后的惊天秘密。50多年前，一艘来自赛博坦的飞船坠毁在月球表面，意外引发了美苏两国之间的太空竞赛。人类不断派遣宇航员登上月球，试图揭开飞船残骸隐藏的真相。
进入21世纪后，汽车人历经多次战斗，终于击退霸天虎的入侵，并与人类结成盟友，共同守护地球。然而，切尔诺贝利发生的一起事件，使那段被尘封的月球计划再次浮出水面。为了阻止霸天虎找到飞船中的能量柱并利用它们制造灾难，擎天柱带领战友前往月球，在残骸中救出了汽车人的上一任领袖御天敌。
御天敌是能量柱的发明者，只要将上百根能量柱组合起来，就能建造出太空桥，实现物质的瞬间传送。与此同时，正忙于寻找工作、与女友卡莉（罗茜·汉丁顿-惠特莉 Rosie Huntington-Whiteley 饰）经营感情的山姆（希亚·拉博夫 Shia LaBeouf 饰），也被不可避免地卷入这场危机。随着调查深入，他逐渐察觉到霸天虎操控一切的阴谋，却没想到，月影之下还隐藏着更加庞大的阴谋与危机。
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