变形金刚3的故事，紧接变形金刚2讲述了擎天柱将率领汽车人继续与山姆保卫地球的故事。
山姆因为掌握了有关变形金刚的重要信息而遭到霸天虎的追击，期间擎天柱为了保护山姆而牺牲。
山姆随后发现了有关"能量柱"的信息，它能帮助汽车人回到自己的星球。

山姆将这个信息告诉了擎天柱的女友卡莉，卡莉是一名生物学家，她曾发现了一个可以让人类变成变形金刚的技术。
然而这一技术被霸天虎的首领威震天得知，威震天想利用这一技术制造出更多的变形金刚来统治地球。

为了阻止威震天的计划，山姆和卡莉与擎天柱领导的汽车人展开了一场激烈的战斗。
在战斗中，山姆和卡莉发现了一种可以摧毁能量柱的武器，他们决定利用这一武器来摧毁能量柱。
然而威震天也得知了这一计划，并派出了大量的霸天虎来阻止他们。

最终山姆和卡莉成功地摧毁了能量柱，而擎天柱也利用能量柱的力量复活了。
擎天柱带领汽车人击败了霸天虎，拯救了地球。