Фильм начинается с истории разрушения родной планеты трансформеров, Кибертрона, руками лидера десептиконов Мегатрона и его поисков Великой Искры — источника всей механоидной жизни на Кибертроне. Мегатрон обнаруживает Искру на Земле, но теряет управление и терпит катастрофу за Северным полярным кругом, где оказывается замороженным во льду. В 1897 году капитан Арчибальд Уитвики обнаруживает тело Мегатрона в ледяном озере. Навигационная система Мегатрона случайно активируется и записывает координаты Искры на очки Арчибальда. «Сектор 7», секретная правительственная организация Соединённых Штатов Америки обнаруживает Искру и строит вокруг неё плотину Гувера, чтобы помешать обнаружению Искры по её излучению. Замороженное тело Мегатрона перемещается под плотину, где устройства робота исследуются для продвижения земных технологий.
В начале XXI века остальные десептиконы — Блэкаут, Скорпонок, Френзи, Бэрикэйд, Старскрим, Боункрашер и Девастатор — прибывают на Землю и принимают формы земного транспорта. Блэкаут и Скорпонок нападают на американскую военную базу в Катаре с целью получить доступ к военной базе данных для обнаружения Мегатрона и Искры, однако их постигает неудача. Десептиконы предпринимают вторую попытку. Френзи проникает на борт самолёта президента США и обнаруживает, что владельцем карты Искры является Сэм Уитвики — праправнук капитана Арчибальда Уитвики. Френзи и Бэрикэйд начинают искать Сэма.
Автобот по имени Бамблби, замаскированный под автомобиль Chevrolet Camaro, также появляется на Земле. Он разыскивает Сэма Уитвики, который в конце концов покупает Бамблби, будучи убеждён, что купил обыкновенную машину. Бамблби помогает Сэму привлечь внимание Микаэлы Бэйнс, его красавицы-одноклассницы. Сэм не знает, что Бамблби — инопланетянин, до тех пор, пока не становится свидетелем трансформации робота. Бамблби посылает навигационный сигнал остальным автоботам.
Бэрикэйд обнаруживает Сэма и требует от него очки прапрадеда. Бамблби приходится трансформироваться и вступить в бой с десептиконом. После победы Бамблби забирает с собой Сэма и Микаэлу, чтобы встретиться с остальными автоботами. По пути Микаэла ненароком замечает, что Бамбли мог бы выбрать форму и получше. В ответ Бамблби превращается в модель «Chevrolet Camaro» нового поколения. Автоботы — Оптимус Прайм, Джаз, Айронхайд и Ратчет, приземляются и принимают формы земных машин. Сэм, Микаэла и автоботы возвращаются к Сэму домой, чтобы забрать очки с координатами. Неожиданно в дом врываются представители тайного правительственного агентства под названием «Сектор 7» и забирают Сэма и Микаэлу на допрос. Они берут в плен и Бамблби, несмотря на протесты Сэма, уверяющего, что Бамблби — на стороне людей.
Френзи тайно прокрадывается вместе с ними на плотину Гувера и пробуждает Мегатрона от его векового сна. Найдя Искру, Френзи призывает остальных десептиконов к плотине. Видя, что Мегатрон свободен, Сэм убеждает агентов «Сектора 7» отпустить Бамблби, чтобы тот мог передать Искру Оптимусу Прайму. Десептиконы преследуют автоботов с Искрой до соседнего города. В последующей битве обе стороны имеют жертвы (Мегатрон лично разрывает Джаза на части), а Сэм уничтожает Мегатрона и Искру, засунув Искру в грудь лидера дисептиконов. Останки десептиконов сбрасываются на дно океана. Потеряв Искру, автоботы решают остаться на Земле, и Оптимус посылает сигнал в космос, чтобы все оставшиеся в живых автоботы нашли их. Выживший десептикон Старскрим улетает с Земли.
