Transformers: dark of the moon menceritakan kisah lanjutan dari petualangan para autobots dan sam witwicky (shia labeouf). Kali ini kisah berawal dari sebuah pesawat luar angkasa bernama the ark yang berencana untuk kabur dari planetnya, cybertron, yang sudah berada di ambang kehancuran. Pesawat angkasa ini dikendarai oleh sentinel prime (leonard nimoy), dan di dalamnya ia membawa sebuah benda yang dikatakan dapat menolong para autobot untuk memenangkan perang dengan decepticon. Namun di perjalanan, pesawat ini terkena serangan misil dan jatuh menuju ruang lain di luar angkasa.
Pada tahun 1961, the ark yang diduga jatuh di bulan kemudian diketahui oleh nasa, dan karena takut bangsa rusia akan lebih dulu menginvestigasi apa pun yang mendarat di bulan tersebut, presiden john f kennedy mendorong nasa untuk segera mendaratkan manusia di bulan. Orang tersebut adalah neil armstrong (don jeanes) dan buzz aldrin (cory tucker), dua astronot pertama yang mendarat di bulan. Sesampainya di bulan, keduanya diam-diam menginvestigasi pesawat super besar tersebut.
Pada masa sekarang, para autobot masih bekerja sama dengan nest untuk mencari para decepticon yang menjadi buronan di bumi. Tak terkecuali bumblebee, sideswipe, enzo, que, optimus prime (peter cullen), dan ratchet (robert foxworth), yang ditugaskan untuk menyelidiki tentang sebuah tempat di chernobyl, di mana sesuatu yang aneh diduga sedang terjadi. Tak disangka, ternyata para autobot menemukan tangki bensin milik the ark, sekaligus bertemu dengan beberapa decepticon hingga terlibat pertempuran singkat.
Di saat yang bersamaan, sam yang baru saja lulus kini sedang kesusahan mencari pekerjaan. Walaupun ia telah menyelamatkan dunia, bahkan diberikan medali pahlawan oleh presiden barack obama, sam tetap harus mencari pekerjaan dengan susah payah. Sam kemudian kembali terlibat dalam urusan autobot saat seorang rekan kerjanya tiba-tiba mengejutkannya dengan sebuah fakta tentang konspirasi di bulan. Sam juga hampir terbunuh oleh salah satu decepticon yang tiba-tiba muncul di kantor barunya.
Di markas nest, optimus pulang membawa sentinel untuk menghidupkannya kembali menggunakan matrix of leadership. Sentinel yang terbangun kemudian langsung menanyakan tentang pilar milik the ark yang dapat membuka portal menuju dunia yang lain. Namun berawal dari sana, bumi sekali lagi terancam keselamatannya saat decepticon berencana untuk sekali lagi memusnahkan para manusia dari muka bumi. Autobots pun harus bekerja sama lagi dengan para manusia untuk menyelamatkan bumi.
