十年前,麦克(克里斯•波特 Chris Potter 饰)和他的搭档黑猩猩明奇侦探界的明星搭档,他们屡破奇案。但一次任务的失利却使得麦克心灰意冷,于是他退出了侦探界,专心照顾他的女儿阿梅利亚;而明奇也加入了马戏团开始了它的新生活。转眼间,阿梅利亚(艾玛•罗伯茨 Emma Roberts 饰)12岁了,凭借聪明的头脑她改进的钻孔机获得了国家科学奖,更获得了法尔里博士(理查德•坎德 Richard Kind 饰)邀请前往日本参加研讨会。然而法尔里博士其实另有阴谋,麦克和明奇这对老搭档必须再战江湖,救出身陷囫囵的阿梅利亚!
1994年,美国纽约。退役军人诺亚·迪亚兹(安东尼·拉莫斯 Anthony Ramos 饰)为了给弟弟治病而四处求职,却不断碰壁,情急之下他铤而走险,打算偷车销赃赚钱。谁曾想第一单就偷了变成汽车形态的博派战士幻影(皮特·戴维森 Pete Davidson 配音),随即卷入宇宙层级的大战争中。原来宇宙中游弋着被称为灭世邪神的恐怖之王宇宙大帝(科尔曼·多明戈 Colman Domingo 配音),它靠不断吞噬其他能源富足的星球补充能量,为此急需要能够折叠空间的“超曲速钥匙”来满足贪欲。此前数千年,被宇宙大帝灭亡家园的擎天圣(朗·普尔曼 Ron Perlman 配音)带着钥匙逃到地球,而他们的踪迹终于被宇宙大帝及其爪牙天灾(彼特·丁拉基 Peter Dinklage 配音)发现。
于是,地球人、汽车人、巨无霸联合起来,与来犯的强敌展开对抗……