当年那场惨烈的芝加哥大战，汽车人虽然成功击退了霸天虎的入侵，却也让地球人对他们失去了应有的信任与尊重。由美国中情局组建的“墓风”部队对所有的变形金刚进行无差别的猎杀，一时间汽车人和霸天虎全都在地球不见了踪影。某天，居住在得州的落魄机械发明家凯德·伊格（马克·沃尔伯格 Marky Mark 饰）买回来一辆破旧的卡车车头，谁知那竟是处在休眠中的汽车人首领擎天柱。嗅到气息的墓风部队蜂拥而至，苏醒后的擎天柱救走了凯德一家，也和散落在各个角落的汽车人相继取得联系。另一方面，疯狂的人类科学家从变形金刚的残骸中获知了他们变形的秘密，并企图借此制造出人造金刚，而脱胎自威震天的惊破天正是他们的得意作品以及催命死神。
　　新一轮的危机卷土而来，地球面临更大的灾难……

　　某日，大卫（乔尼·维斯顿 Jonny Weston 饰）在阁楼里找到了身为科学家的父亲留下的遗物——一台摄像机和一套图纸，让大卫感到震惊的是，这套图纸的内容竟然和如何制造一台时光机器有关。叫来了妹妹克里斯蒂娜（维吉尼亚·加德纳 Virginia Gardner 饰）、好友坤恩（山姆·勒纳 Sam Lerner 饰）和亚当（艾伦·伊万格力斯塔 Allen Evangelista 饰），以及暗恋的女孩杰西（索菲亚·布莱克-德埃利亚 Sofia Black-D'Elia 饰），一行五人用过努力竟然真的制造出了时间机器。
　　使用时间机器，大卫和好友们频繁的回到过去，弥补了生命中大大小小的遗憾，也实现了心目里各式各样的幻想，但随着时间的推移，大卫发现，他们的所作所为有可能导致地球大爆炸。

　　双腿受伤的尼克（布伦顿·思韦茨 Brenton Thwaites 饰）和女友海莉（奥莉维娅·库克 Olivia Cooke 饰）以及好哥们约拿（伯乌·内普 Beau Knapp 饰）正在进行一段喜乐参半的漫长旅行。在此之前，就读于麻省理工的他一直和约拿在追踪一个黑进学校网站的天才骇客，经过一段时间的努力，他们终于抓住骇客的踪迹。二人扬言揭发对方，谁知对方竟仿佛在他们身边监视着一样。旅途继续，夜幕降临，三人准备在一个废弃的小屋落脚。就在此时屋外传来海莉的呼救声，而尼克也被人重重击倒。
　　当他再度醒来，只见到穿着防辐射衣服的陌生男子（劳伦斯·菲什伯恩 Laurence Fishburne 饰）在和他说话。此时此刻，他仿佛置身一个关于外星生物的巨大阴谋之中，噩梦永远没有尽头……

　　渐渐习惯了现代生活的美国队长史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯 Chris Evans 饰），在一次行动后隐隐嗅到神盾局内部所弥漫出来的凶险气味。而当得知神盾局正秘密进行的“洞察计划”后，他更为此感到愤怒。某天，神盾局指挥官尼克-法瑞（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 饰）遭到一群武装分子袭击，他拼尽全力将一支U盘交到美国队长手中，这里面藏着该局二战以来最重要且最可怕的秘密。在此之后，美国队长因涉嫌杀害尼克而遭到前局长亚历山大·皮尔斯（罗伯特·雷德福/Robert Redford 饰）的通缉和追杀，逃亡中他得到黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰）和退伍老兵“猎鹰”（安东尼·麦凯 Anthony Mackie 饰）的帮助。
　　他们必须争分夺秒解开神盾局的秘密，阻止“洞察计划”的施行……

　　A geneticist wakes up from an accident with only fragments of his memory is forced to relearn who he is via his twin brother. But as he digs deeper, he discovers he might not be who he thought at all.