Été 1979, une petite ville de l’Ohio. Alors qu'ils tournent un film en super 8, un groupe d’adolescents est témoin d'une spectaculaire catastrophe ferroviaire. Ils ne tardent pas à comprendre qu'il ne s'agit pas d'un accident. Peu après, des disparitions étonnantes et des événements inexplicables se produisent en ville, et la police tente de découvrir la vérité… Une vérité qu’aucun d’entre eux...

Deux ans se sont écoulés depuis que Sam Witwicky a sauvé l'univers d'une bataille décisive entre les deux clans rivaux de robots extraterrestres. Malgré ses exploits, Sam reste un adolescent préoccupé par les soucis des jeunes gens de son âge : alors qu'il s'apprête à entrer à l'université, il doit se séparer de sa petite amie Mikaela et de ses parents pour la première fois de sa vie. Il lui faut...