Wie had gedacht dat een overheidsproject gebouwd kon worden rond geheimzinnige en ulterior motieven? Het blijkt dat dit precies het geval was in de ruimtewedloop. Toen men ontdekte dat een mysterieuze buitenaardse vaartuig op de maan was neergestort, gaf president John F. Kennedy Amerikaanse astronauts opdracht om als eerste het oppervlak van dat hemellichaam te bereiken voordat de Sovjets dat deden. Al snel ontdekken astronauten Neil Armstrong en Buzz Aldrin de resten van het voertuig en verschillende enorme robotachtige bewoners. Jaren later, terug op aarde, dienen de Autobots, geleid door Optimus Prime (Peter Cullen), als krijgers die de mensheid beschermen tegen zijn machtigste vijand: zichzelf. Ze worden opgeroepen naar de radioactieve ruïnes van Tsjernobyl om het vermoeden van buitenaardse technologie te onderzoeken. Daar vinden ze bewijs van het oude Cybertronische vaartuig dat bekend staat als de Ark, die kostbare cargo bevatte: zowel de voormalige Autobot-leider Sentinel Prime als diverse elektronische "pilaren" die als poort tussen Cybertron en een andere wereld zouden fungeren. De Transformers reizen naar de maan en halen zowel hun leider als de pilaren terug, maar schuilend in de schaduwen, kijkend naar elke beweging en de acties van de Autobots afwachtend, zijn de Decepticons, geleid door de gehavende Megatron (Hugo Weaving), die wederom van plan zijn de controle over de Aarde te nemen. Ondertussen heeft de recente afgestudeerde Sam Witwicky (Shia LaBeouf) een nieuw vriendinnetje, Carly (Rosie Huntington-Whiteley), maar niet een nieuwe baan. Ondanks zijn vertrouwdheid met de Autobots en zijn heldenstatus, kan hij geen werk vinden en, om het nog erger te maken, komen zijn ouders (Julie White en Kevin Dunn) naar de stad en zullen zeker zijn gebrek aan werk betuttelend aanwijzen. Gelukkig heeft Carly een goed woordje gedaan voor Sam, en haar baas Dylan Gould (Patrick Dempsey) is dolblij om hem in dienst te nemen. Maar er is nooit een saai moment in het leven van Sam Witwicky, en inderdaad de recente Autobot-ontdekking van hun voormalige leider en de radicaal geavanceerde pilaren -- laat staan een aantal andere verrassingen die Sam te wachten staan -- kunnen zich mogelijk in een sluw plot verstrikken dat het einde van de mensheid kan betekenen.