Hace miles de años, el planeta Cybertron fue consumido por una guerra civil entre las dos facciones de Transformers: los Autobots, liderados por Optimus Prime; y los Decepticons, liderados por Megatron. Los Autobots quieren encontrar la "Chispa Suprema", la fuente de toda la vida de Cybertron, para poder usarla para reconstruir Cybertron y terminar la guerra entre los Autobots y los Decepticons, mientras que los Decepticons quieren usarla para derrotar a los Autobots y conquistar el universo. Megatron encontró la Chispa Suprema en la Tierra, pero se estrelló en el Círculo Polar Ártico y quedó congelado en el hielo. El capitán Archibaldo Witwicky y su tripulación de exploradores encuentran el cuerpo de Megatron en 1897. El capitán Witwicky activa accidentalmente el sistema de navegación de Megatron, haciendo que sus gafas lleven impresas las coordenadas de la ubicación de la Chispa Suprema. El Sector 7, una organización secreta del gobierno de los Estados Unidos, descubre la Chispa Suprema en el río Colorado y construye la presa Hoover a su alrededor para ocultar sus emisiones de energía. El todavía congelado Megatron es trasladado a estas instalaciones y se le aplica ingeniería inversa para hacer avanzar la tecnología humana.
En el presente, los Decepticons -Blackout, Scorponok, Frenzy, Barricade, Starscream, Brawl y Bonecrusher- han aterrizado en la Tierra y han asumido el disfraz de vehículos terrestres. Blackout y Scorponok atacan la base militar de SOCCENT en Catar e intentan hackear la red militar estadounidense para encontrar la ubicación de Megatron y la Chispa Suprema. Su misión se ve frustrada cuando el personal de la base corta las conexiones de los cables de la red. Mientras Blackout destruye el resto de la base, Scorponok persigue a un pequeño grupo de supervivientes que tienen pruebas fotográficas de los robots, pero finalmente es derrotado. Durante esta batalla, los militares descubren que las únicas armas efectivas contra el blindaje de los Transformers son las balas de sabot de alto calor.
Tras el fracaso de Blackout, Frenzy se infiltra en el Air Force One para intentar de nuevo hackear la red militar, y al hacerlo planta un virus. Encuentra el mapa impreso en las gafas del capitán Witwicky, cuyo descendiente, Sam Witwicky, pretende vender en eBay. Frenzy y Barricade comienzan a rastrear la ubicación de Sam. El Organismo Robótico Autónomo ( abreviado como "Autobot" ) Bumblebee también está en la Tierra, disfrazado como un Chevrolet Camaro de 1976, y es comprado por Sam cuando compra su primer coche. Bumblebee le ayuda a cortejar a su enamorada, Mikaela Banes. Bumblebee sale por la noche para transmitir una señal de búsqueda al resto de los Autobots y Sam lo ve en modo robot. Barricade se enfrenta a Sam y le exige las gafas de Archibald, pero Bumblebee le rescata a él y a Mikaela. Después, Bumblebee mejora su forma de vehículo escaneando un Chevrolet Camaro de 2006 y salen para reunirse con el resto de los Autobots: Optimus Prime, Jazz, Ironhide y Ratchet, que han aterrizado en la Tierra y han adoptado también las formas de vehículos terrestres. Sam, Mikaela y los Autobots regresan a la casa de Sam y obtienen las gafas. Los agentes del Sector 7 llegan y capturan a Sam, Mikaela y Bumblebee.
Frenzy, disfrazado de móvil, acompaña en secreto al grupo hasta la presa Hoover y libera a Megatron de su estado de congelación. Al localizar la Chispa Suprema, Frenzy envía una alerta a los demás Decepticons. Sam convence a los agentes del Sector 7 para que liberen a Bumblebee y así poder llevar la Chispa Suprema a Optimus Prime. El virus de Frenzy ha cortado las comunicaciones del gobierno, pero un par de hackers consiguen establecer una señal con la Fuerza Aérea. El convoy Autobot-humano se dirige a la cercana Mission City de Los Ángeles, California para obtener una radio que guíe la defensa de la Fuerza Aérea y asegure un punto de encuentro como destino seguro para la Chispa. Los Decepticons atacan y Bonecrusher, Frenzy, Jazz, Brawl y Blackout mueren durante la batalla, Sam consigue clavar la Chispa en el pecho de Megatron, matando a éste y destruyendo la Chispa Suprema. Optimus toma un fragmento de la Chispa del cadáver de Megatron, pero se da cuenta de que con su destrucción, su mundo natal, Cybertron, no podrá ser restaurado. En consecuencia, Optimus envía una señal a otros Autobots supervivientes en el universo, dirigiéndolos a su nuevo hogar, la Tierra. El gobierno ordena el desmantelamiento del Sector 7 y hace que los Decepticons fallecidos sean arrojados al Abismo Laurentino. En los post-créditos, Starscream, que huyó de la batalla, escapa al espacio prometiendo venganza en contra de Optimus.