Quem diria que um projeto governamental poderia ser construído em torno de motivações secretas e ultrajantes? Acontece que esse foi exatamente o caso na corrida espacial. Ao saber que uma misteriosa embarcação alienígena caiu na Lua, o presidente John F. Kennedy ordenou aos astronautas americanos que atendessem à superfície desse corpo celestial antes que os soviéticos pudessem fazer o mesmo. Em breve, os astronautas Neil Armstrong e Buzz Aldrin\ndescobrem os restos do veículo e vários ocupantes robóticos maciços. Anos depois, de volta à Terra, os Autobots, liderados por Optimus Prime (Peter Cullen), atuam como guerreiros que defendem a humanidade de seu inimigo mais perigoso: ele mesmo. São chamados aos escombros radioativos de Chernobyl para investigar a presença suspeita de tecnologia alienígena. Lá eles encontram evidências da antiga nave Cybertroniana conhecida como Ark, que carregava uma preciosa carga: tanto o ex-líder Autobot Sentinel Prime quanto vários "pilares" eletrônicos que serviriam como um portal entre Cybertron e outro mundo. Os Transformers viajam para a Lua e recuperam tanto seu líder quanto os pilares, mas nas sombras, vigiando cada movimento e antecipando as ações dos Autobots, estão os Decepticons, liderados pelo abatido Megatron (Hugo Weaving), que voltam a tramando tomar o controle da Terra. Enquanto isso, o recém-formado universitário Sam Witwicky (Shia LaBeouf) tem uma nova namorada, Carly (Rosie Huntington-Whiteley), mas não um novo emprego. Apesar de sua familiaridade com os Autobots e seu status de herói, ele não encontra trabalho e, para piorar, seus pais (Julie White e Kevin Dunn) estão chegando à cidade e com certeza irão repreendê-lo pela falta de emprego. Felizmente, Carly faz uma boa palavra por Sam, e seu chefe Dylan Gould (Patrick Dempsey) fica feliz em contratá-lo. Mas nunca há um momento entediante na vida de Sam Witwicky, e, com certeza, a recente descoberta Autobot de seu antigo líder e os pilares radicalmente avançados — sem mencionar algumas surpresas que chegariam a Sam — podem se encaixar em um plano ardiloso que pode significar o fim da humanidade.