北極圈內：Archibald Witwicky船長(維特維奇家族的先祖)在壹次災難中隨著巨大的冰塊落入深淵，落到了埋藏在冰層之下的壹個機器人手掌上。船長醒來後發現機器人的眼睛正註視著他。而這臺機器人正是很久以前離開塞伯坦，前往地球尋找火種源(All Spark)的威震天(Megatron)！……
威震天將揭示火種源下落的地圖燒刻在船長的眼鏡上。眼鏡作為船長的遺物壹代壹代地傳到了山姆(Shia LaBeout飾演)的手裏……
現代社會：
中東卡塔爾的某個美國空軍基地遭到了狂派戰士眩暈(Blackout)，他將這個基地完全毀掉，而且還從壹臺計算機裏獲得了大量信息。此外，眩暈還釋放了巨蠍怪\薩克巨人(Scorponok)去追殺幸存的Lennox上尉和他的特別行動小隊。Lennox上尉與五角大樓取得了聯系，美國軍方派遣兩架A-10和壹架AC-130攻擊機暫時打退了狂派的小規模進攻。
山姆·維特維奇(Sam Witwicky)從汽車代理商手裏買到了他的第壹輛車，而這輛車恰恰是博派的大黃蜂(Bumblebee)。大黃蜂幫助山姆贏得了Mikaela的芳心。博派前來尋找Archibald老船長的眼鏡，他們被迫躲藏在山姆家的後院，因為兇惡的第七區(Sector 7)的特工突然闖進了山姆的家……
影片采用五條故事線平行推進，最終匯總的形式。在影片的結尾有壹場博派領袖擎天柱(Optimus Prime)與狂派首領威震天的驚天大戰。他們從胡佛大壩壹直殺到洛杉磯……
為了追尋火種源，威震天來到了地球，在北極，他受到磁場的強幹擾，意外墜入地球，被封凍於冰層之下。借助不慎跌入冰谷的科學家，威震天將有關火種源的信息掃描到科學家的眼鏡上。威震天被美國軍方秘密轉移到位於胡佛大壩地下的秘密基地，這個秘密只有歷任國防部長組成的7人軍事小組知道。
“霸天虎”的先遣部隊旋風和毒蠍襲擊了美軍位於卡塔爾的軍事基地，變形金剛的再次出現引起了現任國防部長的警覺，他組織壹批年輕的電腦高手開始搜尋“霸天虎”的行蹤。與此同時，路障幫助他的搭檔迷亂潛入了美國總統的座機空中壹號，通過電腦獲悉，要想找到威震天就必須找到維特威基家族的那副眼鏡，而它現在的擁有者山姆由此成為了“霸天虎”攻擊的目標。
山姆是壹個生活並不如意的高中生，學校裏沒有人相信他講述的關於這副眼鏡的歷史，失望之余，山姆把眼鏡放到網上拍賣，然而從未引起買家的興趣。這時父親送了壹輛破舊不堪的汽車給他，這輛車恰好就是“汽車人”大黃蜂的變形。載著山姆的大黃蜂幫助山姆交上了漂亮的女朋友，但很快就遭遇了霸天虎成員“路障”的襲擊，擎天柱帶著其他“汽車人”趕到，壹場機器人大戰由此拉開了序幕。
擎天柱告訴山姆，邪惡的威震天企圖借助火種源的輻射能把地球上所有的電子產品都變成“霸天虎”部隊的壹員，由此打敗“汽車人”，進而統治整個宇宙，而毀掉火種源的唯壹辦法就是將它插入兩派變形金剛之壹首領的心臟。作為堅決捍衛宇宙和平的汽車人的首領，擎天柱已經做好犧牲自己的準備。
狡猾的迷亂變成了山姆女友的手機，進入了胡佛大壩下面的秘密基地，在釋放威震天的同時，也將這個情報發送給了其它的“霸天虎”。紅蜘蛛於是帶著其他的“霸天虎”成員吵鬧、襲擊、路障、旋風等迅速趕往胡佛大壩，與威震天會合。緊要關頭，大黃蜂也向擎天柱發出增援的信息，爵士、鐵皮、救護車在擎天柱的帶領下，準備與“霸天虎”展開壹場大戰。
在人類軍隊的配合下，兩派變形金剛展開了決戰。霸天虎成員陸續被消滅，但威震天也趕到了城市，與“汽車人”混戰。而爵士卻在這場戰役中不幸犧牲，山姆的好朋友大黃蜂也被重創。最後關頭，山姆將能量塊插入了威震天的心臟威震天的機械軀體被沈入海底，破損的能量塊也回到了擎天柱的手中，然而故事卻沒有結束，片尾隱藏劇情中，臨陣脫逃的紅蜘蛛飛回了塞伯坦星球，他將和其他“霸天虎”重新集結，伺機重新殺回地球，與“汽車人”再戰壹場。
影片開始時，汽車人和軍方正策劃壹場針對霸天虎的秘密戰爭。隨著越來越多的變形金剛重新浮出水面，人們發現這些機器人在地球上的歷史遠比他們想象的要古老，有些官員甚至猜測是汽車人招來了霸天虎，提出要趕汽車人走。擎天柱不希望讓地球處於無人保護的狀態下、任由霸天虎肆虐，於是他向薩姆求助，請求他當汽車人的代言人，去說服人類讓汽車人留下來。薩姆拒絕了，他要上大學，想和別的人壹樣過正常的生活，不過他未能如願，因為他身上的魔方碎片通過原始的能量影響著他，使他產生種種奇怪的想法和幻覺。薩姆拒絕當代言人給他自己、給汽車人以及全世界都帶來了嚴重的後果，霸天虎的領袖威震天復活了，隨之而來的還有變形金剛歷史上遠古的惡魔……