O filme começa com Optimus Prime, líder heroico dos robôs Autobots, descrevendo a destruição do planeta dos Transformers, Cybertron. Este havia sido destruído pelo malvado líder Decepticon Megatron ao este tentar tomar posse do "All Spark", um cubo com poder para gerar vida. Os Autobots querem encontrar o All Spark e utilizá-lo para reconstruir Cybertron e acabar com a guerra entre os Autobots e os Decepticons. Já 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. O incidente o deixou cego e mentalmente instável. O Setor 7, uma organização governamental secreta criada pelo presidente estadunidense 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 transferido para a represa e 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 desembarcou na Terra e assumiu o disfarce de veículos terrestres (exceto Scorponok, que ficou 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 da 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 dos Decepticons é a 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, no disfarce terrestre de um Camaro 1976, 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, a princípio, mau. Sam é detido e fica preso. Na delegacia de polícia, tenta explicar ao policial o que aconteceu, mas o oficial apático e impassível acredita que ele está alucinado 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. Sam se encontra com Mikaela e ambos fogem com 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 e Ratchet, que desembarcaram na Terra e tomaram formas de veículos terrestres também. Enquanto vão ao encontro da equipe de elite dos Autobots, Mikaela comenta que, para um carro tão poderoso, Bumblebee era muito velho. Bumblebee (que, por um erro no sistema de voz, só consegue falar pelo rádio), ouvindo a crítica, expulsa Sam e Mikaela de dentro do carro e escaneia a forma de um Camaro SS que passava em um túnel. 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 intervêm, mas o Setor 7 captura Bumblebee e leva 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 a libertar Bumblebee para que ele possa levar o All Spark a Optimus Prime. A invasão eletrônica 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 esconder o AllSpark. Os Decepticons atacam. Bonecrusher, Frenzy, Jazz, Brawl, Barricade e Blackout são mortos durante a batalha. Em meio à batalha, parte da energia do All Spark é liberada, transformando um volante de carro, uma unidade central de processamento e uma máquina de refrigerantes em Transformers, que somem em meio à batalha.
Sam, que havia sido instruído a colocar o All Spark no peito de Optimus Prime caso Megatron prevalecesse (e, assim, destruir tanto o All Spark quanto Optimus Prime), mas optou por colocar o cubo All Spark no peito de Megatron. O 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 estadunidense 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.
