Люди:
* Шайа ЛаБёф — Сэм Уитвики: семнадцатилетний парень, который случайно оказывается в центре войны между автоботами и десептиконами.
    * Меган Фокс — Микаэла Бэйнс: одноклассница Сэма, в которую он тайно влюблен.
    * Джош Дюамель — капитан Уильям Леннокс: лидер армейского отряда в Катаре, который смог избежать гибели во время атаки десептиконов. Имеет жену и новорожденную дочь в Америке.
    * Тайрез Гибсон — сержант Эппс: сержант ВВС, оставшийся в живых после атаки десептиконов.
    * Джон Туртурро — Симмонс: глава «Сектора 7», тайной правительственной структуры, хранящей и исследующей Великую Искру и Мегатрона.
    * Джон Войт — Джон Келлер: министр обороны США.
    * Рэйчел Тэйлор — Мэгги Мэдсен: эксперт в области распознавания и декодирования сигналов, которая помогает Департаменту Обороны США.
    * Энтони Андерсон — Глен: хакер и друг Мэгги, помогающий декодировать язык кибертронцев.
    * Берни Мак — Бобби Боливиа: продавец подержанных автомобилей, ненароком продавший Сэму Бамблби.

ЛаБёф, Фокс, Дюамель, Гибсон и Андерсон в своих интервью признались, что были большими фанатами «Трансформеров» и сразу согласились на свои роли[5]. Режиссёр Майкл Бэй пригласил ЛаБёфа на роль Сэма, потому что считал его перспективным актёром, способным быстро импровизировать[6] и обладавшим харизмой, напомнившей Бэю молодого Тома Хэнкса[7]. ЛаБёф занимался физическими тренировками по пять дней в неделю в течение трёх месяцев, чтобы набрать 11 килограммов, необходимых для его роли, однако во время съёмок понял, что роль требовала больше быстроты реакции и скорости, нежели физической силы. Дюамель и Гибсон три дня пробыли в учебном лагере новобранцев, чтобы больше узнать об армейской жизни и сделать своих героев более реалистичными[5].

Автоботы:

    * Питер Каллен (голос) — Оптимус Прайм (тягач «Peterbilt»): мудрый и могущественный лидер автоботов, который с добротой относится ко всей человеческой расе, ради которой даже готов пожертвовать собой.
    * Марк Райан (голос) — Бамблби (второе/пятое поколение «Chevrolet Camaro»): искренний и дружелюбный солдат, который становится защитником Сэма и Микаэлы. После тяжкого повреждения ему стало сложно общаться, поэтому для разговора он использует музыкальные треки с радиостанций. В конце фильма теряет ногу.
    * Дариус МакКрари (голос) — Джаз («Pontiac Solstice»): лейтенант Оптимуса, небольшой по размерам, но энергичный и гибкий робот. Джазу очень нравится земная культура, и он старается использовать в своей речи человеческий сленг. Это единственный погибший автобот — Мегатрон разрывает Джаза пополам во время битвы в городе.
    * Джесс Харнелл (голос) — Айронхайд (пикап «GMC Topkick»): жестокий и воинственный специалист по оружию. Он давний друг Оптимуса, но, в отличие от него, не симпатизирует людям.
    * Роберт Фоксворт (голос) — Рэтчет (спасательный «Hummer H2»): рассудительный медик и учёный.

После дискуссий с фанатами на своем сайте, продюсер Дон Мёрфи решил, что хочет, чтобы трансформеров озвучивали актёры, которые занимались озвучкой в одноимённом мультсериале 1980 года[8], однако Майкл Бэй решил для начала их прослушать, поскольку боялся, что постаревшие голоса актёров будут сильно заметны[9]. В июле 2006 года на конференции любителей комиксов «San Diego Comic-Con» было официально заявлено, что Питер Каллен, бывший голосом Оптимуса Прайма в мультсериале, будет озвучивать Оптимуса и в фильме[10]. Каллен позже описал своё возвращение к знакомой роли как «сон в очень удобных стареньких ботинках, которые вы некоторое время не носили» и был очень благодарен фанатам за их желание приобщить его к озвучке[11]. Его голос привнес долю юмора в характер Оптимуса, одновременно с этим отображая его традиционный героизм и пафос[12]. Кинокомпания «Paramount Pictures» устроила конкурс на лучшее высказывания для Оптимуса, и победителем стало утверждение «Свобода — это право всех живых существ»[13], хотя эта фраза присутствовала в первой версии сценария[14]. Актер Марк Райан, озвучивавший Бамблби, также участвовал в съёмках, изображая на съемочной площадке трансформеров и выговаривая их реплики, чтобы актёрам было легче представить себе огромных роботов. Он выдумал множество фраз для персонажей, прежде чем был выбран для озвучки Бамблби[15]. Однако Бамблби по большей части общается с помощью радио, поскольку его голосовой процессор был поврежден, и сценаристы решили использовать в его диалогах фразы из различных фильмов кинокомпании «Paramount»[16].
Десептиконы:

    * Хьюго Уивинг (голос) — Мегатрон (Кибертронский «самолет»): жестокий лидер десептиконов, который желает заполучить Искру. Много лет назад он неудачно приземлился в Арктике, где оказался заморожен. После того, как прапрадедушка Сэма нашел Мегатрона, его поместили в хранилище «Сектора 7» для исследования. Мегатрон с неприязнью относится к людям, считая их жалкими созданиями. В конце фильма он убивает смелого Джаза, но сам погибает от рук Сэма, использовавшего энергию Искры.
    * Чарли Адлер (голос) — Старскрим («F-22 Raptor»): правая рука Мегатрона, который постоянно критикует его за неудачи. В конце фильма Старскрим улетает с Земли.
    * Джесс Харнелл (голос) — Баррикейд (полицейский «Ford Mustang»): Самый первый десептикон, с которым встречается Сэм. Перевозит на себе Френзи.
    * Рено Уилсон (голос) — Френзи (магнитофон, мобильный телефон): Самый крошечный из десептиконов, из-за чего часто перемещается верхом на Баррикейде. Несмотря на то, что его главная задача — шпионить за людьми и взламывать их электронные системы, он свирепый боец, стреляющий острыми лезвиями. Френзи обожает самого себя, наслаждаясь каждым своим действием. Ближе к концу фильма он случайно сносит себе голову своим же лезвием.
    * Джимми Вуд (голос) — Боункрашер (бронированный автомобиль «Buffalo H»[1]): атакует Оптимуса Прайма во время переезда в Миссион Сити и погибает от его меча.
    * Блэкаут (вертолёт «CH-53»): он может выстреливать электромагнитный импульс и в форме робота использовать лопасти как оружие. Блэкаут переносит на себе Скорпонока. Был уничтожен капитаном Ленноксом в Миссион Сити.
    * Скорпонок (механический скорпион): Блэкаут посылает его вслед за сбежавшей группой спецназа во время атаки на базу в Катаре. Похожий на скорпиона, он обладает острым хвостом и плазменными пушками, кроме того, он может перемещаться под землёй. Спецназу с помощью авиации удаётся серьёзно повредить Скорпонока, в ходе чего тот теряет часть хвоста. Тем не менее, Скорпоноку удаётся сбежать.
    * Девастатор (модифицированный танк «M1 Abrams»): его также называют Браул. Атакует автоботов в Миссион Сити, так что спецназу и автоботам с трудом удаётся уничтожить его. В результате Девастатора добивает Бамблби.

Хьюго Уивинг, чей голос был использован для тестирования лицевой анимации[17], в итоге был выбран для озвучания Мегатрона в марте 2007 года[18]. Актёр Фрэнк Велкер, озвучивавший Мегатрона (а также Френзи) в мультфильме, был прослушан на студии, но его кандидатура была отвергнута, поскольку его голос показался создателям слишком слабым для жестокого и грубого Мегатрона[19]. Велкер, тем не менее, озвучил Мегатрона в видеоигре по мотивам фильма.