Hvem vidste, at et regeringsprojekt kunne bygges omkring hemmelighed og skjulte motiver? Det viser sig, at netop sådan var tilfældet i rumkapløbet. Da man lærer, at et mystisk rumfartøjsuheld landede på månen, beordrede præsident John F. Kennedy de amerikanske astronauter til at nå den himmellegems overflade, før Sovjet kunne. Snart opdager astronauterne Neil Armstrong og Buzz Aldrin resterne af fartøjet og adskillige enorme robotiske beboere. År senere, tilbage på Jorden, tjener Autobots ledet af Optimus Prime (Peter Cullen) som krigere, der forsvarer menneskeheden mod sin farligste fjende: sig selv. De bliver tilkaldt til de radioaktive ruiner af Tjernobyl for at undersøge den mistænkte tilstedeværelse af rumteknologi. Der finder de beviser på den ældgamle Cybertronian-ske, kendt som Ark, som bårede en kostbar last: både den tidligere Autobot-leder Sentinel Prime samt flere elektroniske “søjler”, der skulle fungere som en gateway mellem Cybertron og en anden verden. Transformers-togt til månen og genfinder både deres leder og søjlerne, men i skyggerne lurer, overvåger hvert skridt og forudser Autobots' handlinger Decepticons, ledet af den nedslidte Megatron (Hugo Weaving), som atter lægger planer om at få kontrol over Jorden. I mellemtiden har den nyligt eksaminerede Sam Witwicky (Shia LaBeouf) en ny kæreste, Carly (Rosie Huntington-Whiteley), men ikke et nyt job. På trods af hans bekendtskab med Autobots og hans heltestatus, kan han ikke få arbejde, og for at gøre det endnu værre kommer hans forældre (Julie White og Kevin Dunn) til byen og vil uden tvivl irettesætte hans mangel på beskæftigelse. Heldigvis har Carly lagt et godt ord ind for Sam, og hendes chef Dylan Gould (Patrick Dempsey) er alt for glad for at ansætte ham. Men der er aldrig et kedeligt øjeblik i Sam Witwickys liv, og ganske rigtigt vil den nylige Autobot-erkendelse af deres tidligere leder og de radikalt avancerede søjler – for ikke at nævne nogle få andre overraskelser, som kommer Sam’s vej – måske falde ind i en snedigt plot, der kunne betyde menneskehedens undergang.