故事由賽伯坦被威震天（Megatron）毀滅開始講起，威震天為了找回可以為壹切無生命物體註入生命能量的“火種源”（Allspark）用以稱霸宇宙，只身來到了地球。可是他卻不慎掉入北冰洋，被冰凍住。1897年，亞奇帕德·維特維奇船長（Archibald Witwicky）帶領他的船員進入北冰洋，不慎墜入深洞，發現了威震天。不過，維特維奇卻在無意間啟動了威震天的定位系統，火種源的坐標被刻在了他的眼鏡上。後來，美國人發現了火種源和威震天，在胡佛總統的設計下，修建了胡佛大壩來保存這兩件外星物體，並秘密成立了由卸任國防部長組成的“第七區”（Sector 7）用以保守秘密。通過對威震天進行反向工程，美國獲得了許多技術，諸如激光、汽車、CD唱盤等。[1]
時間到了現代，其余的霸天虎（Decepticons）成員：紅蜘蛛（Starscream）、眩暈（Blackout）、迷亂（Frenzy）、路障（Barricade）、推土機（Bonecrusher）、 吵鬧（Brawl﹝電影錯打成Devastator﹞）都紛紛登陸地球，變形偽裝為各種軍用/警用車輛潛伏下來（巨蠍機器人撒克（Scorponok）繼續保持蠍子造型）。眩暈偽裝成MH-53直升機和撒克突襲了美國在卡塔爾的軍事基地，為的是利用軍事網絡查找威震天和火種源的下落。撒克隨後追殺幸存的特種部隊小分隊，但是被趕來增援的美國空軍A-10、AC-130大破而逃。
汽車人戰士（Autobot）大黃蜂（Bumblebee）為了追蹤威震天和火種源的下落，也跟著來到地球，變形為1974年款的雪佛蘭Camaro跑車後隱藏在人類世界中（後來因被米凱拉批評是臺爛車，而搖身壹變成為壹臺新車──2010年雪佛蘭概念車），尋找維特維奇船長的後人薩姆·維特維奇。為了要接近薩姆，他便施展手段讓薩姆強迫車店老板以4000美元將自己買走，當時薩姆並不知道自己購買的是壹個機器人，直到某天晚上，他看見自己的車子突然自行啟動，以為車子被盜而追了過去，並看到了大黃蜂的變形體，不過大黃蜂正在向其他汽車人發送信號而並沒有註意到薩姆。
眩暈失敗後，變形成CD音響的迷亂潛入空軍壹號，繼續尋找信息，在侵入了美國國防數據庫並釋放病毒後，他得知薩姆擁有能夠尋找火種位置的“眼鏡”，於是迷亂和警車“路障”開始追蹤薩姆。
路障最先找到了薩姆，他正要為難薩姆的時候，大黃蜂突然出現且輕松的打傷路障。大黃蜂開始用汽車音響與薩姆和米凱拉溝通，隨後大黃蜂便帶領薩姆與其他汽車人——首領擎天柱（Optimus Prime）、爵士（Jazz）、鐵皮（Ironhide）和救護車（Ratchet）──會合。擎天柱向薩姆講述了火種的作用以及來到地球尋找眼鏡的原因，以及他們怎麽知道薩姆持有這項眼鏡的緣由。在不僅要躲避霸天虎、美國警察和薩姆家人的搜查下，擎天柱成功地拿到了眼鏡並探明了火種位置，大黃蜂卻不幸被政府秘密組織“第七區”的人冷凍帶走了，之後薩姆等人也跟著被帶往胡佛大壩接受調查。
被薩姆和米凱拉打倒的迷亂再次掃描成米凱拉的手機並偷偷來到胡佛大壩所在，潛入機房，破壞制冷系統，恢復了威震天的活力。薩姆向第七區陳述了事情的前因後果，總算讓他們釋放了大黃蜂，大黃蜂縮小了火種，讓薩姆帶走，交給擎天柱。另壹邊，霸天虎在胡佛水壩下集合，並開始追擊汽車人。國防部長凱勒和其他人在房中尋找能夠請求空軍F-22編隊支援的無線電，迷亂卻突然來襲，結果壹場室內近距離槍戰搏鬥之後，迷亂被自己的飛鏢武器掃到而死。
雖然汽車人不想在人類的城市開火，但在薩姆等人的說服之下，汽車人還是決定在臨近的城市中展開火種的保衛戰。為了讓火種不被霸天虎搶走，擎天柱等與薩姆沿著國道前往鄰近的米辛市，霸天虎的“推土機”和“路障”緊接著追來，擎天柱自己脫離隊伍和前者決鬥，在沒有人類安全的顧慮下，擎天柱以右手的能量劍斬下了推土機的頭，然後趕往拉斯維加斯。
威震天要霸天虎全部出動，由於紅蜘蛛是飛機所以最快抵達並馬上對人類進行攻擊，壹出場的轟炸就把鐵皮炸飛並把大黃蜂的腳炸斷。主角薩姆與汽車人爵士難過的看著炸斷腿的大黃蜂。在主角旁的那輛未變形的跑車就是爵士，主角看著爵士並大叫：“妳後退，後退！”就在汽車人戰況不利的時候，霸天虎跑最慢的坦克車轟天雷在這時候第二個抵達現場，這時因汽車人戰友大黃蜂斷腿傷心難過的爵士決定為好友報仇，第壹個狂飆沖向轟天雷。救護車和鐵皮也緊跟在後。鐵皮擔心爵士會出事所以馬上變身要與轟天雷作戰，但因為爵士第壹個沖，所以第壹個近身與轟天雷作戰。爵士順利壹腳踹掉轟天雷左手的炮管，但卻被轟天雷過肩摔到對面大樓。
鐵皮見狀馬上向轟天雷發射導彈，爵士也滑到轟天雷正前面射擊，同時救護車從後面用電鋸用力攻擊轟天雷，受到汽車人三位金剛連手夾擊的轟天雷應聲倒地。威震天抵達時剛好看到轟天雷倒地，氣憤之下對爵士猛烈射擊，且將爵士抓到大樓樓頂撕成兩半。倒地後的轟天雷再度負傷戰鬥，最後被米凱拉載的大黃蜂擊中而陣亡。
帶著火種跑往大樓的薩姆被威震天緊追在後，看到直升飛機的薩姆原本以為終於可以將火種源交出去，沒想到卻被在對面大樓樓頂守後多時的紅蜘蛛發射導彈擊落直升飛機，這時候威震天也用手擊倒大樓屋頂追到薩姆，並打破頂樓導致薩姆掉下去。掉下去的薩姆被擎天柱接住，擎天柱與威震天搏鬥。這時眩暈偷偷從後面準備偷襲擎天柱，卻被蘭尼克斯和他的小隊以火箭炮密集轟炸之下倒下。
在顧慮到人類之下，擎天柱的能力完全施展不出來，於是他要求薩姆將火種塞進他的胸膛，他要犧牲自己，此時薩姆卻靈光壹閃的將火種塞進威震天的胸膛，承受不了這些能量的威震天因而死去。
事後，美軍將機器人遺體扔進了勞倫森海溝（Laurentian Abyss），由於火種已經被毀，汽車人已經無家可歸，只好留在地球。薩姆和米凱拉在發生壹切之後繼續過著普通的交往生活，鐵皮成為倫諾克斯的座車，擎天柱也開始聯系流離在外太空的其他汽車人。