19世纪初：
　　北极圈内：Archibald Witwicky船长(维特维奇家族的先祖)在一次灾难中随着巨大的冰块落入深渊，落到了埋藏在冰层之下的一个机器人手掌上。船长醒来后发现机器人的眼睛正注视着他。而这台机器人正是很久以前离开塞伯坦，前往地球寻找火种源(All Spark)的威震天(Megatron)！……
　　威震天将揭示火种源下落的地图烧刻在船长的眼镜上。眼镜作为船长的遗物一代一代地传到了山姆(Shia LaBeout饰演)的手里……
　　现代社会：
　　中东卡塔尔的某个美国空军基地遭到了狂派战士眩晕(Blackout)，他将这个基地完全毁掉，而且还从一台计算机里获得了大量信息。此外，眩晕还释放了巨蝎怪\萨克巨人(Scorponok)去追杀幸存的Lennox上尉和他的特别行动小队。Lennox上尉与五角大楼取得了联系，美国军方派遣两架A-10和一架AC-130攻击机暂时打退了狂派的小规模进攻。
　　山姆·维特维奇(Sam Witwicky)从汽车代理商手里买到了他的第一辆车，而这辆车恰恰是博派的大黄蜂(Bumblebee)。大黄蜂帮助山姆赢得了Mikaela的芳心。博派前来寻找Archibald老船长的眼镜，他们被迫躲藏在山姆家的后院，因为凶恶的第七防区(Sector 7)的特工突然闯进了山姆的家……
　　影片将会采用五条故事线平行推进，最终汇总的形式。在影片的结尾会有一场博派领袖擎天柱(Optimus Prime)与狂派首领威震天的惊天大战。他们将从胡佛大坝一直杀到洛杉矶……
　　为了追寻火种源，威震天来到了地球，在北极，他受到磁场的强干扰，意外坠入地球，被封冻于冰层之下。借助不慎跌入冰谷的科学家，威震天将有关火种源的信息扫描到科学家的眼镜上。威震天被美国军方秘密转移到位于胡佛大坝地下的秘密基地，这个秘密只有历任国防部长组成的7人军事小组知道。
　　“霸天虎”的先遣部队旋风和毒蝎袭击了美军位于卡塔尔的军事基地，变形金刚的再次出现引起了现任国防部长的警觉，他组织一批年轻的电脑高手开始搜寻“霸天虎”的行踪。与此同时，路障帮助他的搭档迷乱潜入了美国总统的座机空中一号，通过电脑获悉，要想找到威震天就必须找到维特威基家族的那副眼镜，而它现在的拥有者山姆由此成为了“霸天虎”攻击的目标。
　　山姆是一个生活并不如意的高中生，学校里没有人相信他讲述的关于这副眼镜的历史，失望之余，山姆把眼镜放到网上拍卖，然而从未引起买家的兴趣。这时父亲送了一辆破旧不堪的汽车给他，这辆车恰好就是“汽车人”大黄蜂的变形。载着山姆的大黄蜂帮助山姆交上了漂亮的女朋友，但很快就遭遇了霸天虎成员“路障”的袭击，擎天柱带着其他“汽车人”赶到，一场机器人大战由此拉开了序幕。
　　擎天柱告诉山姆，邪恶的威震天企图借助火种源的辐射能把地球上所有的电子产品都变成“霸天虎”部队的一员，由此打败“汽车人”，进而统治整个宇宙，而毁掉火种源的唯一办法就是将它插入两派变形金刚之一首领的心脏。作为坚决捍卫宇宙和平的汽车人的首领，擎天柱已经做好牺牲自己的准备。
　　狡猾的迷乱变成了山姆女友的手机，进入了胡佛大坝下面的秘密基地，在释放威震天的同时，也将这个情报发送给了其它的“霸天虎”。红蜘蛛于是带着其他的“霸天虎”成员吵闹、袭击、路障、旋风等迅速赶往胡佛大坝，与威震天会合。紧要关头，大黄蜂也向擎天柱发出增援的信息，爵士、铁皮、救护车在擎天柱的带领下，准备与“霸天虎”展开一场大战。
　　在人类军队的配合下，两派变形金刚展开了决战。霸天虎成员陆续被消灭，但威整天也赶到了城市，与“汽车人”混战。而爵士却在这场战役中不幸牺牲，山姆的好朋友大黄蜂也被重创。最后关头，山姆将能量块插入了威震天的心脏威震天的机械躯体被沉入海底，破损的能量块也回到了擎天柱的手中，然而故事却没有结束，片尾隐藏剧情中，临阵脱逃的红蜘蛛飞回了塞伯坦星球，他将和其他“霸天虎”重新集结，伺机重新杀回地球，与“汽车人”再战一场。