O filme começa com Optimus Prime, líder heróico dos benevolentes Autobots, descrevendo em voz sobre a destruição do planeta dos Transformers, Cybertron. Foi destruído pelo malévolo líder Decepticon Megatron em sua tentativa de se apossar do All Spark. Os Autobots querem encontrar o All Spark, para que possam utilizá-lo para reconstruir Cybertron e acabar com a guerra entre os Autobots e os Decepticons, enquanto os Decepticons querem usá-lo para destruir os Autobots e dominar o universo. Megatron tinha conseguido localizar o All Spark na Terra, mas caiu no Círculo Ártico e congelou no gelo. Após cair acidentalmente em cima de seu corpo congelado em 1897, o explorador capitão Archibald Witwicky acidentalmente ativou o sistema de navegação de Megatron e teve impresso em seus óculos as coordenadas da localização do All Spark, um incidente que o deixou cego e mentalmente instável. Setor 7, uma organização governamental secreta criada pelo presidente Herbert Hoover, descobriu o All Spark no rio Colorado e construiu a Represa Hoover em torno dele para disfarçar as suas emissões de energia. O ainda-congelado Megatron foi transferida para sua instalação e foi usado para avançar a tecnologia humana por meio de engenharia reversa.

Nos dias atuais, um grupo de Decepticons composto de Blackout, Scorponok, Frenzy, Barricade, Starscream, Brawl e Bonecrusher, desembarcaram na Terra e assumiram o disfarce de veículos terrestres(Exceto Scorponok,que fica na forma de um escorpião robótico). Blackout e Scorponok atacam a base de operações U.S. Soccent no Catar e tentam invadir a rede militar americana para encontrar a localização de Megatron e do All Spark. Sua missão é frustrada quando o pessoal de base corta as conexões dos cabos de rede. Enquanto Blackout destrói o restante da base, Scorponok persegue um pequeno grupo de sobreviventes, liderados pelo Capitão William Lennox e pelo Sargento Robert Epps, que tem provas fotográficas dos robôs. Scorponok é finalmente repelido e se esconde na areia após os humanos danificarem a sua cauda. Durante esta batalha, o exército descobre que a única arma eficaz contra a blindagem Decepticons são de munição pesada Sabot.

Após o fracasso de Blackout, Frenzy se infiltra no Air Force One para novamente invadir a rede militar, plantando um vírus de computador. Ele encontra o mapa impresso nos óculos do Capitão Witwicky. Enquanto o Pentágono interfere com o plano de Frenzy, ele descobre que o descendente de Witwicky, Sam Witwicky pretende vender os óculos no eBay. Frenzy e Barricade começam a rastrear a localização de Sam. Enquanto isso, Sam compra o batedor Autobot Bumblebee (também no disfarce terrestre de um Camaro 1976 [2]), como seu primeiro carro. Após Bumblebee ajudar Sam a cortejar sua amada, Mikaela Banes, ele foge à noite para transmitir um sinal de localização para o resto dos Autobots. Sam persegue Bumblebee, pensando que alguém está roubando o seu carro, mas fica chocado ao descobrir que o seu carro é um robô gigante, que ele considera como mal primeiro. Sam é fica preso, e na delegacia de polícia, tenta explicar ao policial o que aconteceu, mas o oficial apático e impassível acredita que ele está alucinando sob a influência de drogas. Quando Bumblebee (em modo de carro) retorna no dia seguinte, Sam foge, acreditando que o carro está perseguindo ele. Correndo, Barricade ataca Sam e ferozmente o interroga sobre os óculos de seu avô. Bumblebee salva Sam, que se encontra com Mikaela, que fogem em Bumblebee, no caminho eles encontram Barricade, que luta com Bumblebee. Durante a luta, Mikaela corta a cabeça de Frenzy, mas ele se transforma em seu celular e se esconde em sua bolsa. Eles fogem para se reunirem com o resto da equipe Autobot, Optimus Prime, Jazz, Ironhide, Ratchet, que desembarcaram na Terra e tomaram formas dos veículos terrestres também. Sam, Mikaela e os Autobots retornam à casa de Sam, conseguindo os óculos; entretanto, agentes do Setor 7 chegam e levam Sam e Mikaela em custódia. Os Autobots intervem, mas o Setor 7 captura Bumblebee e enviam Sam e Mikaela embora.

Sam e Mikaela são levados para a Represa Hoover, assim como Lennox e Epps, sob as ordens de Secretário de Defesa John Keller. Frenzy alerta os outros Decepticons e invade o sistema de tecnologia, libertando Megatron de seu estado congelado. Sam convence os agentes do Setor 7 para libertar Bumblebee, para que ele possa levar o All Spark à Optimus Prime. O hackeamento de Frenzy desligou as comunicações do governo, mas Keller, dois hackers, Maggie e Glen, e o agente do Setor 7, Seymour Simmons conseguem mandar um sinal para a Força Aérea, a fim de apoiar o comboio dos humanos e Autobots que foram para Mission City esconder a AllSpark. Os Decepticons atacam, Bonecrusher, Frenzy, Jazz, Brawl, Barricade e Blackout são mortos durante a batalha. Sam, que foi instruído a colocar o All Spark no peito Optimus Prime caso Megatron prevaleça(e assim destruí-lo e Optimus Prime), mas optou por colocar o cubo All Spark no peito de Megatron. The All Spark desintegra, e seu poder mata Megatron. Optimus pega um fragmento do All Spark do cadáver de Megatron, mas admite que com a sua destruição, seu planeta Cybertron não poderá ser restaurado. O governo ordena que o Setor 7 feche e despeja os corpos de Megatron e seus Decepticons no Abismo Laurenciano. Lennox e Epps se reúnem com suas famílias, e Sam e Mikaela iniciam um relacionamento. Optimus transmite uma mensagem para todos os Autobots sobreviventes no espaço, dizendo-lhes que eles têm um novo lar na Terra.

Durante os créditos, Starscream, um único sobrevivente Decepticon além de Scorponok, foge para o espaço.