Caleb, en 24 år gammel koder ved verdens største internettselskap, vinner en konkurranse om å få tilbringe en uke på et privat fristed som tilhører Nathan, den tilbakeholdne administrerende direktøren i selskapet. Men når Caleb kommer frem finner han ut at han blir nødt til å delta i et merkelig og fascinerende eksperiment der han må samhandle med verdens første ekte kunstig intelligens.

Året er 1987, og tenåringen Charlie (Hailee Steinfeld) kommer over en gul boble på en skraphaug i nærheten. Hun tar bilen med hjem for å sette den i stand, men oppdager raskt at det skjuler seg noe helt unikt bak karosseriet; Transformeren "Bumblebee". Bumblebee er på flukt fra forfølgere, men skadet og uten minne om hva han rømmer fra eller hvorfor. Charlie har akkurat fylt 18 år og prøver å finne sin plass i verden. De to danner et uventet vennskap, og setter sammen ut på et eventyr ingen av dem kunne ha forutsett...

Jacq Vaucan, en forsikring agent for ROC robotikk aksjeselskap undersøker rutinemessig ved å manipulere en robot. Det han oppdager vil ha dyptgripende konsekvenser for menneskehetens fremtid.