《变形金刚3》的故事背景设定在距今50多年前的1960年代，当时一艘来自赛博坦星球的飞船意外坠落在月球上。这引发了美苏两国之间的太空竞赛，双方都试图揭开飞船的秘密，以获得技术上的优势。时至21世纪初，在经历了一系列激烈的战斗后，汽车人终于击败了霸天虎，并与人类结成联盟共同守护地球免受侵害。然而，一场发生在切尔诺贝利的意外事件使尘封已久的月球计划再度被提上日程。为了阻止霸天虎利用能量柱发动攻击，擎天柱带领车队成员前往月球，救出了汽车人的先代领袖御天敌——这位发明家创造了能量柱技术，能够通过结合多根能量柱形成太空桥实现物质瞬间传送。与此同时，山姆·韦伯斯（希亚·拉博夫饰）正忙于寻找工作和经营与女友卡莉（罗茜·汉丁顿-惠特莉饰）的爱情。然而，随着阴谋的逐渐揭开，他发现自己不仅卷入了汽车人和霸天虎之间的战斗，更面临一场更大的危机潜藏在月球深处。
