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Los Autobots Bumblebee, Ratchet, Ironhide y Sideswipe, guiados por Optimus Prime, vuelven a la acción para hacer frente a los Decepticons, quienes están determinados a ajustar cuentas en busca de una revancha tras su último fracaso en la batalla de Transformers: Revenge of the Fallen. En esta tercera parte, los Autobots y los Decepticons se ven implicados en una peligrosa carrera espacial entre Rusia y los Estados Unidos y una vez más el humano Sam Witwicky (Shia LaBeouf) vendrá en ayuda de sus amigos los robots. El nuevo villano será Shockwave, un viejo Transformer que ha liderado Cybertron mientras los Autobots y los Decepticons luchaban en la Tierra.

Shia LaBeouf, Josh Duhamel, Tyrese Gibson, John Turturro y Ramón Rodríguez repetirán en sus papeles protagonistas, junto con Peter Cullen como la voz de Optimus Prime. A pesar de que inicialmente había sido confirmada para la película, y con ésta ya en pleno proceso de rodaje, se anunció finalmente que Megan Fox no volvería a retomar su papel de las dos anteriores partes de la trilogía.

Con el personaje que interpreta Fox fuera de juego, a Sam se le asignó un nuevo amor, que será interpretado por la modelo inglesa Rosie Huntington-Whiteley. Michael Bay ha declarado que esta sería la última entrega de la serie.