Hvem skulle tro at et regjeringsprosjekt kunne bygges rundt hemmelige og skjulte motiver? Det viser seg at slik var tilfellet i romkappløpet. Da han fikk vite at et hemmelig fremmed fartøy krasjlandete på månen, beordret president John F. Kennedy amerikanske astronauter til å komme til denne himmellegemets overflate før sovjetterne kunne gjøre det samme. Snart oppdager astronautene Neil Armstrong og Buzz Aldrin restene av kjøretøyet og flere massive robotiske innbyggere. År senere, tilbake på jorden, fungerer Autoboter ledet av Optimus Prime (Peter Cullen) som krigere som forsvarer menneskeheten mot sin farligste fiende: seg selv. De blir kalt til de radioaktive ruinene i Tsjernobyl for å etterforske den mistenkte tilstedeværelsen av fremmed teknologi. Der finner de bevis for den gamle Cybertronian-fartøyet kjent som Ark som båret verdifull last: både den tidligere Autobot-lederen Sentinel Prime samt flere elektroniske " søyler" som skulle fungere som en gateway mellom Cybertron og en annen verden. Transformers reiser til månen og gjenfinner både sin leder og søylene, men i skyggene, som følger hvert skritt og forutse Autobots' handlinger, er Decepticonene, ledet av den såre Megatron (Hugo Weaving), som igjen planer hvor å ta kontroll over jorden. I mellomtiden har nylig avlagt universitet Sam Witwicky (Shia LaBeouf) fått en ny kjæreste, Carly (Rosie Huntington-Whiteley), men ikke en ny jobb. Til tross for hans kjennskap til Autobotene og hans heltstatus, får han ikke arbeid, og for å gjøre ting enda verre kommer foreldrene hans (Julie White og Kevin Dunn) til byen og vil nok gi ham en advarsel om manglende sysselsetting. Heldigvis legger Carly inn et godt ord for Sam, og sjefen hennes Dylan Gould (Patrick Dempsey) er altfor glad for å ansette ham. Men det er aldri et kjedelig øyeblikk i livet til Sam Witwicky, og den nylige Autobot-funn av deres tidligere leder og de radikalt avanserte søylene -- for ikke å nevne noen få andre overraskelser som nærmer seg Sam -- kan like godt bli en del av en slu plan som kan bety menneskehetens ende.