山姆大学毕业后和新女友卡莉住在华盛顿，他曾拯救过两次世界，所以有点适应不了正常人的生活，但他还是找了份工作，试着让自己安定下来。但卡莉并不了解山姆的苦闷，她为一个艺术品和汽车收藏家迪兰·古尔德工作，后者由派屈克·德姆西饰演。与山姆和卡莉住在一起的还有小变形金刚“转轮”和它的同类小机器人“Brain”。
与此，汽车人正与兰诺克斯少校一起在世界各地与人类的敌人——霸天虎作战。在一次与钻探兽的激战后，擎天柱发现一个属于一艘他们认为早已失蹤的汽车人飞船的柱状物件。霸天虎仍然留在地球上，其首领威震天在上一次大战后现在很虚弱，但他仍在计画着什幺。擎天柱对人类向他隐瞒实情很生气，尤其是对美国国家情报局局长夏洛特·米樱感到愤怒，原来多年前美国太空人登入月球就发现了坠毁的变形金刚汽车人飞船——“方舟号”（Ark）里的能量柱，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”（Sentinal 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个能量柱带回了地球。

　此时的山姆正被他的新老闆折磨的焦头烂额，接着他被Jerry.wang认出是变形金刚的朋友，Jerry.wang试图告诉他霸天虎的阴谋，显然他也被迫参与了那个计画。不一会儿，雷射鸟就结果了他。山姆赶紧跑去告诉汽车人，但被拦在秘密基地外面，儘管米樱局长很不情愿，但架不住别人的坚持，只好让山姆留下来旁观事态进展。
把御天敌和五个能量柱带回地球后，擎天柱用领导模组（The Matrix）重启了御天敌，之后又放回自己体内。原来，那些能量柱是“空间桥”的一部分，共有上百个，现在都不知散落何处。米樱局长开始赶山姆回家，山姆靠自己分析推导，得出霸天虎正在利用人类做什幺，但没人听他的分析，于是他决定找退休探员西蒙（约翰·特特罗）帮他调查。卡莉很不高兴，她抱怨山姆又想拯救世界了。两人吵了一场，分手了。卡莉一人去了老闆迪兰的聚会。西蒙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山姆的请求。两人先去找当年登月的太空人，他们深信这些人一定知道内情，但都被政府下达了封嘴令。老太空人们向山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能量柱。山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。中间，狂派的恐惧战队跟博派进行了追逐战，铁皮和横炮成功解决他们。可御天敌叛变了，他杀死了铁皮，用腐蚀性酸枪把他熔化了，并带着能量柱跑了。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。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。汽车人无奈只好準备登上飞船。这时山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，并逼山姆做间谍，提供汽车人的情报，看看他们是否在计画反攻，他还派了一个霸天虎机器人跟在山姆身边，记录山姆及其周围人的言行，如果山姆违抗，卡莉就会死。山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，他们就这幺走了，飞船在半空中被红蜘蛛打落，汽车人似乎已经全军覆没。山姆只好向转行到基地工作的前军官Epps求助，求他帮自己追蹤迪兰、救出卡莉。经过一番跟蹤，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，好在大部分的人类倖存者已经离开。正当Epps、山姆他们认为没有希望的时候，汽车人突然出现！原来一切都是计画好的，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画开启空间桥，这次，他们要把整个赛伯坦星球都传送到地球，让倖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IronHide这两位成员。他们想从远处摧毁空间桥，失败了。震荡波指挥它的宠物——钻探兽，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。
红蜘蛛抓到山姆想杀死他，山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另一只眼，红蜘蛛遭受重创死亡。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雷射武器摧毁了空间桥的主控柱。山姆这时也找到了迪兰，与他扭打在一起。迪兰被空间桥主控柱的电流终结了生命。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。卡莉跑到威震天跟前，用激将法促使威震天帮助擎天柱和御天敌对打。御天敌受伤倒下,这时威震天激怒了擎天柱,结果擎天柱先出手杀掉了威震天,然后用威震天的枪杀了御天敌。在废墟上，山姆和卡莉互相表白，一旁的大黄蜂做了齿轮戒指非要让山姆求婚。
擎天柱的声音响起，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。

为了使影片获得最逼真的音效，《变形金刚3》声效小组儘可能地採集现实中真实的声音。枪战火拚是《变3》的一个重要组成部分，AK47、火箭筒、手榴弹……这些声音都是用真枪实弹录製的。影片中还有一个太空梭发射时的场景，音效小组特地跑到军事基地录製火箭发射时的声音。

还有许多现实中不普遍存在的声音，是通过各种奇思妙想来实现的。片中外星飞船入侵地球时的声音，是用电吉他来发出的。吉他手通过扭曲吉他弦，再经过失真效果器的处理，製造出的声音比法拉利赛车的嘶吼还酷。片中外星飞船坠落在月亮上的声音，是用乾冰和金属录製的。音效人员用金属做了一个长达10米的镂空长盒子，通过乾冰在金属上融化产生的共鸣，发出一种“很太空的声音”。而影片中钢筋混凝土崩塌的声音同样令人震撼，一块40磅重的大冰块的融化过程造就了此场景中的声音。在芝加哥伞降行动的配音中，音效工程师们仔细研究了角色在降落过程中所能感受到的声音，细緻地还原了伞降过程中人耳边的风声。

《变形金刚3》中的机器人大多是由好莱坞明星担当配音，但也有例外。“威震天”的声音大部分来自知名配音演员雨果·维文，不过他那霸气的嗓音，还有一部分竟来自一只患了肺气肿的老虎。为了让“威震天”的声音听上去更加富有野性，音效工程师们专程到动物园寻找灵感。，动物园里一只患有肺气肿的老虎引起了他们的兴趣，片中威震天疯狂的喘息声，就来自这只老虎。

“震荡波”的钻头是他最大特色，这个钻头的声音就来自一只狒狒。“冲击波”在片中拿着电钻摧毁街道和大楼时发出的声响，其实是来自这只狒狒的号啕大哭。从卡通片到电影，“声波”的英文版配音演员一直是Frank Welker。为了表现在车外攻击女主角的场面，经验丰富的配音演员Frank Welker甚至用刺扎自己来发出尖叫，最终获得了最真实的临场效果。

《变形金刚》的导演麦可·贝2013年10月份前往美国宇航局甘迺迪航天中心拍摄了矗立在发射台上的发现号太空梭，也拍摄了一些太空梭项目工作人员工作的景象。

《变形金刚》电影中出现的真实镜头包括矗立在39A发射台上，正在为其一次发射任务进行準备工作的发现号太空梭，以及美国宇航局巨大的太空梭组装车间等。影片中还出现了空间站处理设施的镜头，这是工作人员準备建造国际空间站的组件的地方。

《变形金刚3》于2011年7月21日中国大陆上映，上映首周4天进账4亿人民币左右。其中，2011年7月23日票房1.12亿，令其正式成为内地第一部单日过亿的影片，同日观众人次超242万，也打破国内电影票房纪录。

2011年8月13日，《变形金刚3》在中国电影市场上映第24天，影片票房突破10亿元关口，成为中国大陆继《阿凡达》之后第二部跨入10亿元俱乐部的进口片。事实上，《变形金刚3》自7月下旬上映以来，就在不断地创造票房奇蹟2011年7月21日，以1200万创造午夜场票房新纪录，以1亿230万创造首映日票房新纪录；2011年7月23日，以1亿1200万创造单日票房新纪录；截止2011年7月24日，以超过4亿的票房创造首周票房新纪录；从2011年7月25日到31日，以将近3亿7000万票房创造第二周票房新纪录。

麦可·贝拍出了他最棒的电影。在他的指挥下，所有耀眼、巨大的效果都得以用最灵活的方式表现出来。终于，电脑绘製的机器人和人类角色得到了同等重要的戏份。（《娱乐周刊》评）影片通过一种令人眼花缭乱，如同给你打了兴奋剂式的方式让你体会到乐趣。《变3》是贝先生拍过的最好的电影之一，也是目前为止3D效果最出色的续集电影。（《纽约时报》评）《变形金刚3》延续麦可·贝一贯的贝式风格，自大的特写，男子气概的慢镜头，夸张的视觉以及充满魅力的镜头。（《休斯顿纪事报》评）影片时间太长，故事也很无聊，，《变形金刚3》利用最先进技术打造出来的精彩动作和大战场面，确实很震撼，堪称史诗般的杰作。（《每日邮报》评）《变形金刚3》可能不是一部伟大的作品，但它确实是很有意思。（《IGN电影频道》评）《变形金刚3》很难和麦可·贝的《变形金刚1》平起平坐，但比第二部更加有逻辑和令人愉快。（《完全电影》评）

一部称得上是史诗的影片，但在剧情把握上，真是让人难以下咽。（《票房杂誌》评）看这部电影，你别担心记不住角色，因为这是一部让观众一无所获的作品。（《环球邮报》评）除了擎天柱，除了山姆，除了变形金刚，除了汽车，该片拿得出手的东西，真不是很多。（《华盛顿邮报》评）拼凑起来的故事模糊不清，动作场面令人费解，一部让人不知该从哪里下手的影片。（《今日美国》评）仍旧延续第二部的不可言喻呆板和不断的道德白痴桥段。（《芝加哥论坛报》评）比《变形金刚2》进步不少，，这部《变形金刚3》算什幺东西？（《帝国杂誌》评）麦可·贝完全有能力去挖掘剧中的角色，让每个人物都变得更加有意思，，他放弃了，反而是将预算用在过眼云烟的特效上。（《纽约每日新闻》评）影片时间太长，声音太响，动作花哨，剧情死气沉沉，这种电影让人感觉很痛苦。（《TimeOut》评）不能忍受，影片充斥着眼花缭乱的动作，数不清场景和角色，混乱不清的视听效果和单调的台词。（《波士顿环球报》评）影片最糟糕的还是故事和角色的开发。（《达拉斯晨报》评）

《变形金刚3》缺少让人惊喜的剧情也就罢了，连女主角的惊艳感也消失了，儘管那位维多利亚内衣超模在大银幕上看起来比写真要顺眼很多，身材一流，可是3D也不能给她加分。最要命的是，金刚们的大战也没了让人肾上腺素激增的快感，3D反而让动作戏显得更加模糊不清。詹姆斯·卡梅隆提供给麦可·贝最好的班底和技术，却忘了提醒他3D效果最重要的一点———想像力，塞伯坦星球的瞬移，那是《独立日》，捣蛋鬼从内部摧毁了霸天虎飞船，那也是《独立日》，而战斧飞弹沖向能量柱的镜头，简直就是《珍珠港》的翻版。（《新京报》评）

老实说，《变形金刚3》的剧情并没有给观众留下多幺深刻的印象，大家只看出人类第一次登月、车诺比核电站的爆炸原来都和变形金刚有着“直接的关係”。老套的剧情和略显混乱的剪辑，使得这部长达2小时30分钟的电影看起来有些乏味、让观众摸不着头脑，幸好还有宏大壮观的打斗和逼真的3D效果撑场面。（《青年时报》评）