前3作で主演を務めたシャイア・ラブーフは続投せず、新たにマーク・ウォールバーグが主人公のケイド役にキャスティングされた。2012年11月、2人の主役級キャラクターのキャストの模索が始まった。イザベル・コーニッシュ、ニコラ・ペルツ、ガブリエラ・ワイルド、マーガレット・クアリーはケイドの娘のテッサ役、Margaret Qualley were all considered to play Tessa, Cade's daughter, while ルーク・グライムス、ランドン・リブロン、ブレントン・スウェイツ、ジャック・レイナー、ハンター・パリッシュがそのボーイフレンドのシェーン役に考慮された。『ハリウッド・リポーター』によると主人公3人の俳優たちはそれぞれ3作分の契約を交わしている。2013年1月、ベイは自身のウェブサイトにて、レイナーがシェーン役にキャスティングされたことを発表した。さらに3月、ベイはニコラ・ペルツがテッサ役にキャスティングされたことを発表した。ピーター・カレンは引き続いてオプティマス・プライムの声を務める。タイリース・ギブソンにはロバート・エップス役でのカメオ出演の話が持ちかけられた。全3作でモーシャワー将軍を演じたグレン・モーシャワーは2012年9月に次の2作への出演すると述べたが、2013年5月、スケジュールの都合により新作には出演不可能であることを発表した。2013年4月、ベイはスタンリー・トゥッチがキャストに加わったことを発表した。2013年5月1日、ケルシー・グラマーが人間の悪役でキャスティングされた。5月6日、ソフィア・マイルズがキャスティングされた。さらに同月、中国人女優のリー・ビンビンとコメディアンのT・J・ミラーがキャストに加わった。2013年7月14日、ベイはハン・グンがキャストに加わったことを発表した。同月、タイタス・ウェリヴァーもキャストに加わった。国内では、中川翔子が声優として参加。実写、アニメ、洋画、邦画問わず声優の経験があるが、シネマトゥデイにより「洋画実写の吹き替えは今回が初体験(ただし、ジャッキーチェンと共演したのどこし生のCM等で本人吹き替えを担当したことがある）」とされた。
15年ぶりの出場となるホップマンカップで復帰を果たす。ベリンダ・ベンチッチとスイス代表として出場し、2勝1敗でラウンドロビン敗退に終わる。公式戦には全豪オープンから復帰。怪我でランキングを落としていたため第17シードとして出場。その初戦ではベテランで同年代のユルゲン・メルツァーに7-5, 3-6, 6-2, 6-2で勝利、3回戦で第10シードのトマーシュ・ベルディハに6-2, 6-4, 6-4のストレート勝ち。4回戦で第5シードの錦織圭と初めてグランドスラムで対戦、6-7(4), 6-4, 6-1, 4-6, 6-3で破り、準々決勝でミーシャ・ズベレフに6-1,7-5,6-2で破り、準決勝で第4シードのスタン・ワウリンカを7-5, 6-3, 1-6, 4-6, 6-3で破り、7年ぶりに決勝進出。自身全豪オープンで100試合目となった決勝では第9シードのラファエル・ナダルとグランドスラムでは2014年全豪オープン以来、グランドスラム決勝では2011年全仏オープン以来の対戦となり、6-4, 3-6, 6-1, 3-6, 6-3で破って、全豪では2010年以来5回目、グランドスラムでは2012年ウィンブルドン選手権以来となる優勝を収め、完全復活を印象付ける大会となった。なお、全豪のオープン化後初となる世界ランキングトップ10の4人を倒しての優勝でもあった（グランドスラムでは1982年全仏マッツ・ビランデル以来）。2月のドバイ・テニス選手権では2回戦でエフゲニー・ドンスコイ相手に3回のマッチポイントを迎えるも、6-3, 6-7(7), 6-7(5)で敗れた。3月のBNPパリバ・オープンでは4回戦でラファエル・ナダルに6-2, 6-3で勝利。決勝に駒を進め、スタン・ワウリンカを6-4, 7-5で破り、ノバク・ジョコビッチに並ぶ大会最多5回目の優勝を果たした。続くマイアミ・オープンでは、フランシス・ティアフォーに7-6(2),6-3、フアン・マルティン・デル・ポトロに6-3,6-4、ロベルト・バウティスタ・アグート7-6(5),7-6(4)にいずれもストレート勝ち、準々決勝でトマーシュ・ベルディハにマッチポイントを2つ握られるも6-2,3-6,7-6(8)で勝利、準決勝でニック・キリオスに7-6(9),6-7(9),7-6(5)と3時間10分の死闘を制した。決勝でラファエル・ナダルを6-3,6-4で破り、マスターズ2大会連続大会3度目の優勝を果たした。その後、全仏オープンを含む、2017年の全てのクレーコートシーズンの大会の欠場を公式サイトで発表した。6月の芝の大会の初戦メルセデス・カップの初戦でトミー・ハースに6-2,6-7(8),4-6で敗戦を喫する。ゲリー・ウェバー・オープンでは決勝でアレクサンダー・ズベレフを6-1,6-3で破って歴代最多となる9度目の優勝を果たした。また、この大会初戦で杉田祐一に勝利し、史上2人目となるツアー通算1100勝目を達成した。ウィンブルドンではアレクサンドル・ドルゴポロフ、ドゥシャン・ラヨビッチ、ミーシャ・ズベレフ、グリゴール・ディミトロフ、ミロシュ・ラオニッチ、そしてトマーシュ・ベルディハにいずれもストレート勝ちと安定した勝ち上がりで2年ぶりに決勝へ進出。決勝でマリン・チリッチを6-3,6-1,6-4で破り、5年ぶり歴代最多となる8勝目を挙げた。また、ウインブルドンでの全試合ストレート勝ちでの優勝は1976年のビョルン・ボルグ以来の快挙となり、35歳でのウィンブルドン制覇はオープン化以降では1975年のアーサー・アッシュの32歳を大きく更新する最年長優勝となった。全米オープンの前哨戦として、3年ぶりにロジャーズ・カップに出場。大会中に背中を痛め、決勝に進むもアレクサンダー・ズベレフにストレートで敗れ、準優勝。直後のシンシナティ・マスターズを欠場し、迎えた全米オープンでは、準々決勝でフアン・マルティン・デル・ポトロに5-7,6-3,6-7(8),4-6で敗退した。レーバー・カップではナダルとダブルスを組みジャック・ソック/サム・クエリー組を6-4,1-6,[10-5]で破りヨーロッパチームの勝利に貢献した。上海マスターズでは準決勝でフアン・マルティン・デル・ポトロを3-6,6-3,6-3で破り、決勝ではランキング1位となっているラファエル・ナダルを6-4,6-3で下し優勝。地元スイス・インドアでは、準決勝でダビド・ゴファンを6-1,6-2で破り13度目の決勝進出を果たすと、過去に決勝で2度敗れているデルポトロを6-7(5),6-4,6-3で下し、2年ぶり通算8回目の優勝を達成した。これによって、自身のツアー勝利数が通算95勝となり、コナーズに次ぐ単独2位となった。また、生涯賞金額がジョコビッチを上回り、1位となった。パリ・マスターズは背中の怪我のため欠場した。ATPファイナルズでは、ラウンドロビンで全勝したものの、準決勝でダビド・ゴファンに6-2,3-6,4-6で初めて敗れ、シーズンを終了した。2017年は怪我からの完全復活を印象付け、グランドスラムも2勝するなど、とても充実した年になった。52勝5敗(勝率91.2%)、年間最終ランキングは2位だった。