19世纪初：在北极圈内，Archibald Witwicky船长（维特维奇家族的先祖）在一场灾难中随着巨大的冰块落入深渊，意外发现了一个埋藏在冰层之下的机器人手掌。船长苏醒后，发现机器人的眼睛正在注视着他。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）！威震天将火种源下落的地图烧刻在船长的眼镜上。这副眼镜作为船长的遗物，代代相传至山姆（Shia LaBeouf饰演）手中。现代社会：位于中东卡塔尔的美国空军基地遭到狂派战士眩晕（Blackout）的袭击。他不仅摧毁了基地，还从一台计算机中获取了大量信息。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联系，美国军方派出A-10和AC-130攻击机暂时击退了狂派的进攻。山姆·维特维奇（Sam Witwicky）从汽车代理商那里买到了他的第一辆车，而这辆车恰好是博派的大黄蜂（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，因为凶恶的第七区（Sector 7）的特工突然闯进了山姆的家。影片采用五条故事线平行推进，最终汇总的形式。在影片的结尾，博派领袖擎天柱（Optimus Prime）与狂派首领威震天展开了一场惊天动地的大战。他们从胡佛大坝一直打到洛杉矶。为了寻找火种源，威震天来到地球，在北极受到磁场干扰，意外坠入地球并被封冻在冰层之下。他借助跌入冰谷的科学家，将火种源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在卡塔尔的军事基地。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追踪“霸天虎”。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，通过电脑得知，要找到威震天就必须找到维特维奇家族的眼镜，而它的现任主人山姆因此成为了“霸天虎”的目标。山姆是一个生活不顺意的高中生，没有人相信他关于这副眼镜的历史。失望之余，山姆将眼镜放到网上拍卖，但并未引起买家的兴趣。这时，父亲送给他一辆破旧的汽车，这辆车恰好是大黄蜂的变形。大黄蜂帮助山姆交到了漂亮的女朋友，但很快就遭遇了霸天虎成员“路障”的袭击，擎天柱和其他“汽车人”赶到，机器人大战就此拉开序幕。擎天柱告诉山姆，邪恶的威震天企图借助火种源的辐射将地球上所有电子产品变成“霸天虎”的一员，从而打败“汽车人”，统治整个宇宙。唯一摧毁火种源的方法是将它插入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他“霸天虎”。红蜘蛛带着其他“霸天虎”成员迅速赶往胡佛大坝，与威震天会合。紧要关头，大黄蜂向擎天柱发出增援信息，爵士、铁皮、救护车在擎天柱的带领下，准备与“霸天虎”展开大战。在人类军队的配合下，两派变形金刚展开决战。霸天虎成员陆续被消灭，但威震天也赶到城市，与“汽车人”混战。爵士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，山姆将能量块插入威震天的心脏，威震天的机械身体被沉入海底，破损的能量块也回到了擎天柱手中。然而，故事并未结束，片尾隐藏剧情中，临阵脱逃的红蜘蛛飞回塞伯坦星球，他们将和其他“霸天虎”重新集结，寻找机会重新返回地球，与“汽车人”再战。
