¿Quién hubiera imaginado que un proyecto gubernamental podría construirse alrededor de motivos secretos y ulteriores? Resulta que ese fue precisamente el caso en la carrera espacial. Al enterarse de que un misteriosovas vessel alienígena se estrelló en la luna, el presidente John F. Kennedy ordenó a los astronautas estadounidenses llegar a la superficie de ese cuerpo celeste antes de que los soviéticos pudieran hacer lo mismo. Pronto, los astronautas Neil Armstrong y Buzz Aldrin descubren los restos de la nave y varios ocupantes robóticos de gran tamaño. Años más tarde, de regreso en la Tierra, los Autobots, liderados por Optimus Prime (Peter Cullen), sirven como guerreros que protegen a la humanidad de su enemigo más peligroso: ella misma. Son convocados a las ruinas radiactivas de Chernóbil para investigar la presunta presencia de tecnología alienígena. Allí encuentran evidencia de la antigua nave Cybertroniana conocida como el Ark, que transportaba una valiosa carga: tanto el exlíder Autobot Sentinel Prime como varios "pilares" electrónicos que debían servir de puerta de acceso entre Cybertron y otro mundo. Los Transformers viajan a la luna y recuperan a su líder y los pilares, pero acechan en las sombras, observando cada movimiento y anticipando las acciones de los Autobots, los Decepticons, liderados por el abatido Megatron (Hugo Weaving), que una vez más tramaba tomar el control de la Tierra. Mientras tanto, el reciente graduado universitario Sam Witwicky (Shia LaBeouf) tiene una nueva novia, Carly (Rosie Huntington-Whiteley), pero no un nuevo empleo. A pesar de su familiaridad con los Autobots y su estatus de héroe, no puede encontrar trabajo y, para empeorar las cosas, sus padres (Julie White y Kevin Dunn) se acercan a la ciudad y seguro lo reprenderán por su falta de empleo. Afortunadamente, Carly recomienda bien a Sam, y su jefa Dylan Gould (Patrick Dempsey) está más que contenta de contratarlo. Pero nunca hay un momento aburrido en la vida de Sam Witwicky, y, efectivamente, el reciente descubrimiento Autobot de su antiguo líder y los pilares radicalmente avanzados —sin mencionar algunas otras sorpresas que Sam recibirá— podrían encajar en un complot astuto que podría significar el fin de la humanidad.