Cybertron restauré, les Autobots s'activent pour rebâtir entièrement la planète. Optimus Prime quant à lui, se rend dans l'espace avec Wheeljack afin de retrouver l'AllSpark, la source de vie de tous les Transformers. Mais un énorme problème arrive: Unicron, qui a pris le contrôle du corps de Megatron, est de retour et rêve de se venger des Autobots et d'anéantir Cybertron en corrompant le Spark de la planète. Cet ennemi redoutable provoque une alliance entre les Autobots, les Decepticons, Predaking et deux nouveaux Predacons, qui se lancent dans une bataille pour protéger leur planète.
Un an après sa disparition sur Asgard, Loki, le frère de Thor, s’allie avec « l'Autre », le chef d'une race extra-terrestre : les Chitauris . L'Autre souhaite s'emparer du Tesseract, qui est actuellement sur la Terre. Avec l'aide de l'armée des Chitauris, Loki pourra prendre le contrôle de cette planète en échange du Tesseract. Loki se voit confier un sceptre qui l'aidera dans sa mission.
En 2005, des scientifiques découvrent dans le « système solaire Gliese » (nom donné dans le film, en réalité le système planétaire Gliese 581) une exoplanète qu'ils baptisent « planète G », dont le climat semble proche de celui de la Terre. En 2006, la NASA lance le projet international Beacon pour envoyer un signal jusqu'à cette planète en construisant un système de communication cinq fois plus puissant que ceux existant alors. Chaque jour, quand le satellite Landsat 7 est à l'aplomb de la station de communication de Saddle Ridge, sur l'île d'Oahu, dans l'archipel d'Hawaï, le signal est émis vers le satellite. Celui-ci amplifie le signal pour le relayer à travers l'espace jusqu'à la planète G.
Résumé détaillé
Après l'attaque du poste avancé de Fort Casey par les Arachnides, le vaisseau Alésia y est envoyé pour renforcer le John A. Warden et évacuer les survivants. Sur le chemin du retour, le John A. Warden disparaît des radars. À son bord se trouve Carl Jenkins, désormais ministre des affaires paranormales. Le général Johnny Rico dépêche l'Alésia en mission de sauvetage. Sur place, l'équipe découvre que le John A. Warden est envahi par les Parasites et qu'ils ciblent la Terre..
À la suite du meurtre inexpliqué et mystérieux d'un veilleur de nuit dans un centre commercial (il a eu la peau arrachée et on retrouve sur son cadavre une substance visqueuse verte), Evan décide de créer une milice pour retrouver le meurtrier et sécuriser la ville. Trois candidats se présentent mais le groupe a du mal à démarrer sa mission. Pendant ce temps un voisin fort troublant vient d'emménager dans la maison voisine d'Evan, et un jeune skateur se fait volatiliser en sortant du poste de police. Après une confrontation avec un extraterrestre, le groupe finit par réaliser que les extraterrestres sont partout et prennent la peau de leurs victimes terriennes pour se dissimuler parmi la population. Ils soupçonnent alors le voisin d'Evan et s'infiltrent chez lui, mais la piste s'avère fausse, le voisin n'étant qu'un organisateur de partouses. L'un des quatre miliciens, Jamarcus reste à la fête pendant qu'une femme lui fait une fellation. Rejoignant le groupe un peu plus tard il avouera être un alien, et que cet acte sexuel lui a révélé la sensibilité des Terriens. Il explique à ses trois camarades le plan d'invasion de la Terre par les Aliens et leur explique comment le contrecarrer.
Quinze ans auparavant, la Terre a failli être envahie par une invasion martienne, mais, comme H.G. Wells nous l'a raconté, les assaillants ont été vaincus par les microbes. Depuis, l'organisation A.R.E.S. a été créée pour lutter contre une nouvelle attaque en réutilisant la technologie abandonnée.
En 1914, l'Europe est prête à entrer en guerre quand les Martiens, apparemment immunisés, lancent un nouvel assaut. A.R.E.S. doit alors surmonter les dissensions internationales pour organiser la résistance.
Après une nuit d'ivresse, deux inconnus, Julio (Villagrán) et Julia (Jenner), se retrouvent dans le même lit dans un appartement de Madrid. Il tombe amoureux d'elle immédiatement mais cette attirance n'est pas réciproque. L'arrivée d'un vaisseau extraterrestre va obliger l'ami de Julia (Noguera) et un voisin sinistre (Areces) à cohabiter…
En février 1942, des objets volants non identifiés ouvrent le feu au-dessus de Los Angeles. L'armée américaine riposte et les ovnis s'en vont. Sept décennies plus tard, les envahisseurs reviennent.
Sud de Londres. Alors qu'elle rentre chez elle, Sam, infirmière de 25 ans, est agressée par un gang d'adolescents menés par Moses menant quatre ou cinq individus qui la contraignent à leur céder ses effets personnels. Mais ils sont brutalement interrompus par la chute d'un objet non-identifié sur une voiture garée à côté. Pendant que la jeune femme en profite pour s'enfuir, Moses inspecte l'habitacle du véhicule, à la recherche d'objets de valeur, quand une étrange créature blanche cachée sous le tableau de bord se jette sur lui et le griffe au visage avant de prendre la fuite. Décidé à ne pas en rester là, lui et sa bande poursuivent la bête jusqu'à la remise où elle s'est réfugiée et la mettent à mort.
Territoire du Nouveau-Mexique, 1873. Un homme amnésique (Daniel Craig) se réveille dans le désert, blessé, sans nom et avec un bracelet étrange au poignet. Après avoir éliminé trois hommes sur le point de le tuer, il erre dans la petite ville d'Absalom, où le prêcheur local, Meacham (Clancy Brown), soigne sa blessure. Peu après, l'homme sans nom brutalise Percy Dolarhyde (Paul Dano), un ivrogne qui terrorisait la population. Dans un bar, le shérif Taggart (Keith Carradine) le reconnaît alors comme étant Jake Lonergan, un bandit recherché, et l'arrête. Jake tente de s'échapper mais une mystérieuse femme nommée Ella Swenson (Olivia Wilde) l'assomme pour le livrer aux autorités. L'éleveur de bétail Woodrow Dolarhyde, parfois appelé « le colonel », (Harrison Ford) arrive en ville avec ses hommes et exige que son fils Percy soit libéré. Il veut également la peau de Jake, avec qui il a un compte à régler. Mais des vaisseaux lumineux commencent à attaquer la ville, et Percy, le shérif Taggart et de nombreux habitants sont enlevés. À l'aide de son mystérieux bracelet à son poignet, Jake abat un des engins volants. L'occupant du vaisseau, une créature monstrueuse, s'échappe dans le désert.
Sean et Ben sont à Moscou pour affaires, confrontés à un univers d’argent et de pratiques sans scrupules. Natalie et Anne s’y trouvent en escale involontaire alors qu’elles avaient prévu de se rendre au Népal. Les quatre jeunes gens se rencontrent par hasard dans la boîte de nuit la plus branchée de la ville où ils croisent Skylar, un homme d’affaires suédois qui a arnaqué Sean et Ben. Ce haut lieu qui attire puissants et personnalités en vue bascule dans la terreur lorsque des aliens attaquent… Après avoir vécu terrés quelques jours dans les sous-sols, les cinq survivants ressortent et découvrent une ville déserte. Le monde semble immobile alors qu’une force terrifiante et invisible les guette… S’ils veulent avoir une chance de survivre, ils vont absolument devoir découvrir qui sont ces êtres venus d’ailleurs et ce qu’ils veulent.
Après s'être disputé avec sa mère, Milo voit celle-ci se faire enlever par des Martiens. Réussissant à entrer dans leur vaisseau spatial, le jeune garçon se retrouve sur Mars où il devra retrouver sa mère s'il ne veut pas qu'elle meure. Avec l'aide de Gribble, un enfant ayant grandi sur Mars, et de Ki, un extraterrestre qui veut les aider, ils partiront à la rescousse de la mère de Milo.
Sur Cybertron, la guerre a jadis fait rage entre Decepticons et Autobots. Ces derniers sur le point de perdre détachèrent un vaisseau contenant une cargaison secrète mais l'astronef endommagé s'écrasa sur la Lune en 1961. Américains et Russes détectèrent l'impact et la course à la lune fut ainsi lancée. En 1969, la mission Apollo 11 finit par découvrir hors caméras les restes du vaisseau, ignorant l'Autobot qui y sommeille.
11 août 2011, des Marines sont appelés à intervenir à Los Angeles, au commencement pour ce qui semblait être une simple pluie de météorites qui tombe au large de grandes villes côtières à travers le monde. Il s'avère qu'ils vont en réalité devoir affronter les forces d'invasion et de colonisation d'extraterrestres, puissamment organisées, dont l'objectif est de s'approprier les ressources en eau de notre planète Terre. Sous la pression de la technologie avancée de ces derniers (usage intensif de drones de combat), l'armée américaine doit peu à peu se replier et abandonner la ville sous peine d'anéantissement total. Un peloton de Marines du 2e bataillon du 5e régiment de Marines commandé par le sergent Michael Nantz, un vétéran, a pour ultime mission de sauver un groupe de civils restés bloqués dans une zone de combats. Durant l'extraction, le sergent Nantz arrive à repérer un PC opérationnel alien et à le faire détruire par une frappe de missiles. Ce faisant, il permet la libération de l'espace aérien, enfin débarrassé des drones aliens, afin que les combats pour la reconquête de la ville puissent commencer.