Film ini dimulai dengan penjelasan oleh Optimus Prime mengenai asal-muasal peperangan di planet Cybertron antara kaum Autobots dan kaum Decepticons. Perang ini membuat sebuah Kubus Energon, atau yang biasa dinamakan sebagai Allspark terlempar ke angkasa luar dan jatuh di bumi. Namun sepertinya semua sudah terlambat, sebab para Decepticons telah berada di bumi, mencari kesempatan untuk bisa menemukan Kubus tersebut.
Kesempatan itu pun akhirnya tiba. Blackout mendatangi sebuah markas Angkatan Udara Amerika Serikat yang berada di Qatar. Ia kemudian menghancurkan markas tersebut, membunuh seluruh tentara yang berada di dalamnya. Tujuan utamanya adalah menyusup ke dalam jaringan data militer AS untuk mencari informasi keberadaan Kubus tersebut. Namun, segala usahanya mampu digagalkan. Tidak puas akan kegagalannya, ia kemudian melepaskan Scorponok dari punggungnya. Robot kalajengking tersebut terus bergerak mencari tentara yang mampu melarikan diri dari pembantaian di markas.
Setelah kegagalan tersebut, Frenzy menyusup ke dalam pesawat kepresidenan AS, Air Force One. Kali ini, ia berhasil mencari informasi yang dicari oleh Decepticons: keberadaan Megatron, keterlibatan Sector Seven, serta kacamata leluhurnya yang dilelang oleh Sam Witwicky. Dalam kacamata tersebut tersimpan koordinat di mana Kubus itu berada.
Sementara itu jauh di daratan AS, kehidupan Sam mulai memasuki babak baru setelah ia lulus ujian presentasi. Sebagai hadiah, ayahnya membelikannya sebuah mobil baru yang ternyata bisa berubah menjadi sebuah robot bernama Bumblebee. Pada awalnya, ia sempat kaget akan apa yang dilihatnya ketika Bumblebee berdiri tegak di hadapannya, sehingga pada akhirnya ia terjebak oleh pengejaran Barricade. Barricade menyerangnya, menginterogasinya, dan menanyakan keberadaan kacamata leluhurnya. Pada saat genting, Bumblebee menyelamatkannya bersama dengan Mikaela Banes, teman wanita Sam yang terjebak dalam situasi itu.
Pengejaran pun terjadi antara Bumblebee dan Barricade, yang menandakan awal pertempuran antara Autobots dan Decepticons di bumi. Pada suatu pertarungan satu lawan satu, Barricade melepaskan Frenzy untuk memburu Sam. Walaupun Barricade mampu dikalahkan, Frenzy akhirnya tetap selamat dengan cara menyamar menjadi mobil phone milik Sam. Kini, Frenzy ikut bersama Sam, Mikaela, dan Bumblebee ke mana pun mereka pergi.
Di saat yang sama, Optimus Prime, Jazz, Ratchet, dan Ironhide tiba di bumi. Mereka bertemu dengan Sam dan Mikaela, setelah Bumblebee mempertemukan mereka semua di sebuah gang kecil di tengah kota. Para Autobots juga ternyata sedang mencari keberadaan Kubus tersebut, berusaha untuk menghancurkannya agar perang bisa berakhir. Untuk itu, Sam harus mencari kacamata leluhurnya yang masih disimpan di rumahnya.
Namun sayang, walaupun Sam berhasil menemukannya, agen-agen Sector Seven mendatangi rumahnya dan menangkap seluruh anggota keluarganya, termasuk dirinya dan Mikaela. Ketika para Autobots mencoba menyelamatkannya, Bumblebee mampu dilumpuhkan oleh pasukan elit Sector Seven. Baik Sam, Mikaela, maupun Bumblebee akhirnya dibawa ke Hoover Dam, di mana Kubus tersebut berada. Ternyata lokasi Kubus itu tidak terlalu jauh dari tempat di mana Megatron dibekukan selama ratusan tahun.
Setelah mengetahui keberadaan Kubus tersebut, Frenzy lalu mengontak para Decepticons bahwa Kubus itu telah ditemukan. Starscream, Barricade, Brawl, Bonecrusher, dan Blackout pun langsung bergerak. Starscream menyerang Hoover Dam, menyelamatkan Megatron dari kebekuannya selama ratusan tahun. Merasa ancaman besar sudah berada di depan mata, Sector Seven setuju untuk melepaskan Bumblebee, membiarkannya mengamankan Kubus itu dari tangan Decepticons.
Megatron akhirnya menyadari bahwa Kubus itu telah dibawa oleh Sam, Mikaela, dan Bumblebee ke Mission City. Bumblebee pun kembali bergabung dengan Optimus Prime, Jazz, Ratchet, dan Ironhide. Di tengah perjalanan ke Mission City, mereka dihadang oleh Bonecrusher dan Barricade. Keduanya kemudian dikalahkan oleh Optimus Prime setelah kepala mereka terpenggal dalam pertempuran di jalan tol.
Setibanya mereka di Mission City, para Decepticons yang tersisa mulai berkumpul akhirnya berhadap-hadapan dengan para Autobots yang dibantu oleh tentara AS. Brawl berhadap-hadapan dengan Jazz, Ratchet, Ironhide, serta tentara AS yang menyertai mereka. Blackout terkadang menyerang para Autobots sesekali, namun tidak mampu melumpuhkan Autobot apapun. Starscream lebih banyak membantu Megatron dalam usahanya meraih Kubus yang diamankan oleh Sam. Jazz tewas ketika tubuhnya dibelah dua oleh Megatron.
Optimus Prime pada akhirnya berhadap-hadapan satu lawan satu dengan Megatron, walaupun pertarungan seakan didominasi oleh kekuatan Megatron. Satu per satu, Brawl dan Blackout tewas dalam pertempuran. Hanya Sam lah yang akhirnya mampu membunuh Megatron dengan memasukkan Kubus tersebut ke dadanya.
Di akhir film, seluruh mayat para Decepticons diceburkan ke Palung Laurentian, palung terdalam di dunia. Diharapkan agar tubuh mereka hancur dihantam tekanan air yang luar biasa. Namun, tunggu dulu! Kisah belum selesai, karena Starscream mampu selamat dari pertempuran. Dia terbang melesat ke angkasa luar, memanggil rekan-rekannya untuk membalas dendam kepada para Autobots.
Karakter Utama
Tokoh utama dari kaum manusia adalah sebagai berikut:
- Pemeran: Shia LaBeouf
Seorang pria muda yang terobsesi dengan mobil kendaraan pribadi dan wanita cantik untuk dijadikan pacar, seperti halnya pria muda lainnya di dunia. Namun setelah ia melelang kacamata leluhurnya di e-bay, yang ternyata menyimpan koordinate letak Allspark, serta membeli mobil pertamanya, yang ternyata adalah sebuah robot bernama Bumblebee, kehidupannya mulai berubah drastis. Keberadaannya dikejar-kejar oleh para Decepticons demi mendapatkan koordinat letak Allspark tersebut, namun beruntung karena ada Bumblebee di sampingnya yang selalu melindunginya.
- Pemeran: Megan Fox
Seorang wanita muda yang menjadi incaran Sam Witwicky untuk dijadikan pacar, walaupun dari sejak awal, dia juga sudah menunjukkan ketertarikannya dengan Sam dengan lirikan-lirikannya yang 'nakal'. Ayahnya adalah seorang pencuri mobil berpengalaman, sehingga dia pun dikejar-kejar oleh pihak berwenang, tak terkecuali Sector Seven yang juga berkepentingan dalam memburu para Transformers. Meskipun dia adalah seorang gadis, namun dia adalah figur yang mampu diandalkan oleh semua pihak dalam membantu dalam menghancurkan para Decepticons.
- Pemeran: Josh Duhamel
Seorang kapten dari Angkatan Darat AS yang bertugas di Irak. Dalam perjalanan pulangnya kembali ke tanah Amerika, dia terjebak pada situasi di mana dia mau tidak mau, suka tidak suka harus memilih untuk ikut bertempur bersama rekan-rekannya melawan ancaman para Decepticons. Di misi terakhirnya di Mission City, dia membunuh Blackout hanya dengan modal senapan serbu dan motor sport, setelah robot tersebut dihajar oleh rudal-rudal yang diluncurkan oleh pesawat F-22.
- Pemeran: Tyrese Gibson
Seorang sersan dari Angkatan Udara AS yang juga bertugas di Irak, sekaligus sebagai operator komando udara. Seperti rekannya William Lennox, dia juga terjebak pada situasi di mana dia harus ikut bertempur melawan ancaman para Decepticons. Dia sangat berperan penting dalam memerintahkan Angkatan Udara AS membantu menghancurkan para Decepticons, baik di gurun Qatar maupun di Mission City, tentunya berkat peranannya yang vital di jajaran Angkatan Udara AS.
- Pemeran: Rachael Taylor
Seorang ahli dalam bidang komunikasi dan sinyal yang masih menjenjang pendidikan kuliah. Pada awalnya, dia ditugaskan oleh Departemen Pertahanan AS untuk menyelidiki siapa biang di balik serangan di Qatar, karena serangan tersebut diduga melibatkan sinyal-sinyal yang tidak dimengerti oleh umat manusia. Ketika seluruh masalah sudah mulai nampak ke permukaan, dia kemudian ditugaskan untuk menyertai Menhan AS John Keller di Hoover Dam untuk membantu menuntaskan masalah yang ditimbulkan oleh para Decepticons.
- Pemeran: Anthony Anderson
Seorang hacker yang berkemampuan dalam bidang memprogram dan menyunting data-data sensitif. Keterlibatannya dalam proyek rahasia milik Maggie Madsen untuk memecahkan kode-kode rahasia yang tersimpan dalam rekaman serangan di Qatar akhirnya membuatnya masuk ke tahanan polisi, bersama dengan Maggie. Namun setelah Maggie mendapatkan tugas untuk menyertai Menhan AS John Keller, dia juga diterbangkan ke Hoover Dam, di mana dia berjasa mentransmisikan perintah kepada Angkatan Udara AS untuk membantu para Autobots di Mission City.
- Pemeran: Jon Voight
Seorang Menhan AS yang bertugas menyelidiki sebab dan asal-muasal serangan terhadap markas militer AS di Qatar. Sebagai seorang Menhan, dia adalah seorang pejabat yang buruk karena tidak mengetahui adanya Megatron yang disimpan di balik Hoover Dam. Namun, seburuk-buruknya dia sebagai seorang pejabat pemerintah, tetap saja kemenangan para Autobots tidak akan tercapai bila saja dia tidak memerintahkan pesawat F-22 untuk membantu mereka di Mission City.
- Pemeran: John Turturro
Seorang pemimpin organisasi rahasia Sector Seven yang keberadaannya tidak diketahui siapapun di muka bumi, kecuali dia dan orang-orangnya sendiri. Kadang kala dia melakukan hal-hal yang humoris dan konyol di saat melakukan tugasnya sebagai agen rahasia, membuatnya terkesan ceroboh dan bodoh. Dia juga tampaknya memiliki masalah pribadi dengan Sam Witwicky dan Mikaela Banes, terbukti dengan selalu gencarnya dia menangkis pertanyaan-pertanyaan dan permintaan kedua anak muda tersebut.
- Pemeran: Kevin Dunn
Ayah Sam Witwicky yang terkenal sangat perfeksionis, pelit, dan sangat mencintai kebunnya sendiri.
- Pemeran: Julie White
Ibu Sam Witwicky yang terkenal sangat protektif terhadap anaknya, serta gemar mengoceh setiap saat.
Tokoh utama dari kubu Autobots adalah sebagai berikut:
- Pengisi Suara : Peter Cullen
- Faksi : Autobots
- Bentuk Alternatif: Truk semi-trailer, Peterbilt 379
- Posisi : Pemimpin kaum Autobots
- Pengisi Suara : Darius McCrary
- Faksi : Autobots
- Bentuk Alternatif: Mobil sport, Pontiac Solstice
- Posisi : Letnan pertama Optimus Prime
- Pengisi Suara : Robert Foxworth
- Faksi : Autobots
- Bentuk Alternatif: Jip ambulance, Hummer H2
- Posisi : Spesialis medik dan pemulihan
- Pengisi Suara : Jess Harnel
- Faksi : Autobots
- Bentuk Alternatif: Truk pickup, GMC Topkick
- Posisi : Spesialis strategi dan persenjataan
- Pengisi Suara : Mark Ryan
- Faksi : Autobots
- Bentuk Alternatif: Mobil sport, Chevrolet Camaro 1980; Chevrolet Camaro 2009
- Posisi : Pengawal pribadi Sam Witwicky
Tokoh utama dari kubu Decepticons adalah sebagai berikut:
- Pengisi Suara : Hugo Weaving
- Faksi : Decepticons
- Bentuk Alternatif: Jet tempur Cybertron
- Posisi : Pemimpin kaum Decepticons
- Pengisi Suara : Charlie Adler
- Faksi : Decepticons
- Bentuk Alternatif: Jet tempur, F-22 Raptor
- Posisi : Wakil pemimpin kaum Decepticons
- Pengisi Suara : -
- Faksi : Decepticons
- Bentuk Alternatif: Helikopter tempur, Sikorsky MH-53 Pave Low
- Posisi : Letnan utama Megatron
- Pengisi Suara : -
- Faksi : Decepticons
- Bentuk Alternatif: Robot kalajengking
- Posisi : Pemburu dan penghancur
- Pengisi Suara : Jess Harnel
- Faksi : Decepticons
- Bentuk Alternatif: Mobil polisi, Ford Mustang Saleen S281
- Posisi : Pemburu dan interogator
- Pengisi Suara : Reno Wilson
- Faksi : Decepticons
- Bentuk Alternatif: Boombox stereo; Mobile phone (khusus kepalanya)
- Posisi : Mata-mata dan pembunuh
- Pengisi Suara : Jimmie Wood
- Faksi : Decepticons
- Bentuk Alternatif: Kendaraan penjinak ranjau, Buffalo Mine Protected
- Posisi : Pejuang tempur
- Pengisi Suara : -
- Faksi : Decepticons
- Bentuk Alternatif: Tank tempur, M1 Abrams bermeriam tiga
- Posisi : Pejuang tempur
