Der Rechtsanwalt Adam Ewing lernt 1850 mit einem Schiff die Ureinwohner des Südpazifik und ihre Unterdrückung kennen. Der Junge Musiker Robert Forbisher arbeitet 1931 an seinem Wolkenatlas-Sextett und wird dabei von Ewings Tagebuch inspiriert. Die Journalistin Luisa Rey ermittelt 1975 über eine vertuschte Fehlkonstruktion beim Bau eines Atomkraftwerks und erfährt dabei auch von Forbisher. Der Verleger Timothy Cavendish, der Luisa Reys Geschichte veröffentlichen will, wird in der Gegenwart irrtümlich in ein Altenheim eingewiesen. In der nahen Zukunft kämpft die junge Replikantin Sonmi-451, deren Lieblingsfilm die Verfilmung von Cavendishs Lebensgeschichte ist, für die Anerkennung ihrer Menschlichkeit. Schließlich spielt eine Episode in ferner Zukunft, in der die menschliche Zivilisation weitgehend wieder auf den Stand der Steinzeit zurückgefallen ist. Nur ein Hologramm mit den Aufzeichnungen Sonmis kündet von der lange vergangenen Zeit.

1942 - die USA ziehen in den Kampf gegen Hitler-Deutschland. Steve Rogers wird auf Grund seines Gesundheitszustands als ungeeignet eingestuft. Mit Hilfe des Project: Rebirth soll er trotzdem in den Kampf gegen Nazis ziehen. Der kränkliche Steve wird in eine Art Super-Soldaten namens Captain America transformiert. Hilfe bekommt der neue Superheld dabei von seinem Freund Bucky Barnes. Gemeinsam kämpfen sie gegen Red Skul, Hitlers Geheimwaffe im Krieg gegen den Rest der Welt.

Am 20. Juli 1969 landet Apollo 11 auf dem Mond. Auf der dunklen Seite des Mondes stoßen die Astronauten auf das Wrack eines Raumschiffs. 40 Jahre lang hält die Regierung die Entdeckung geheim. Dann überschlagen sich die Ereignisse: Ein bislang unentdeckter Transformer wird an Bord des Raumschiffs reaktiviert. Es ist der verschollen geglaubte Herrscher von Cybertron, Shockwave. Seine Rückkehr entfacht den erbitterten Krieg zwischen den Autobots und den Decepticons aufs Neue. Jetzt geht es nicht mehr nur um die Zukunft und das Überleben der Erde, sondern des ganzen Universums... damit hatten weder Sam Witwicky noch die Autobots gerechnet!

Nachdem Sam Witwicky die Welt mit Hilfe der gutmütigen Autobots vor den bösartigen Decepticons gerettet hat, freut er sich auf ein normales Leben. Als er aufs College geht, lässt er nicht nur Freundin Mikaela zurück, sondern auch Roboter-Kumpel Bumblebee. Doch bald wird Sam von seltsamen Visionen heimgesucht. Erneut steht ein Kampf der außerirdischen Roboter bevor, bei dem das Schicksal der Menschheit auf dem Spiel steht. Sam scheint den Schlüssel zu ihrer Rettung in der Hand zu halten, doch diesmal bekommen es er, Mikaela und die Autobots mit einem noch mächtigeren Gegner zu tun...

Zwei außerirdische Roboterrassen, die den Menschen gut gesinnten Autobots und die zerstörerischen Decepticons, kommen auf die Erde und tragen dort ihren Kampf gegeneinander aus. Es stellen sich ihnen nur wenige mutige Menschen in den Weg - wie Teenager Sam, der zum Geburtstag einen Autobot "geschenkt" bekam. Zusammen mit dem Militär, einigen Zivilisten und seiner Freundin Mikaela beginnt ein verzweifelter Kampf ums Schicksal der Menschheit...