===Erster Akt===
Die Filmhandlung setzt mit einem Angriff des Decepticons Blackout und seinem Symbiotischen Partner Scorponok auf eine US-Basis in Katar ein.
Der Angriff hat das Ziel an militärische Geheiminformationen zu gelangen, welche den Aufenthalt Megatrons und des AllSparks verraten könnten.
Bei diesem Angriff kommen fast alle Soldaten ums Leben, mit Ausnahme einer kleinen Gruppe, der die Flucht gelingt, darunter Captain William Lennox und Technical Sergeant Robert Epps.
Um auch den letzten beweis der Existenz der Transformer zu vertuschen entsendet Blackout Scorponok, welche  das Team um Lennox vernichten soll…

Der siebzehnjährige Sam Witwicky, Captain Witwickys Ur-Ur-Enkel, bekommt in der Zwischenzeit von seinem Vater Ron als Belohnung für gute Schulnoten sein erstes Auto spendiert, allerdings ist Ron nur bereit, 4000 US-Dollar auszugeben, wovon Sam allerdings 1000 Dollar selbst aufbringen muss, wozu er alte Besitztümer seines Großvater Archibald bei Ebay versteigert, darunter die Brille seines Großvaters.

Dem Autobot Bumblebee, als Vorhut zur Erde geschickt, um nach dem Allspark zu suchen, gelingt es in der Tarnung eines gebrauchten Camaro, die Ereignisse so in seinem Sinne zu manipulieren, dass Sam sich für ihn entscheidet. Während Sam seinen neuen Wagen nutzen will, um die Schulschönheit Mikaela zu beeindrucken, verschafft sich Bumblebee Gewissheit, dass Sam im Besitz der Brille ist, und informiert anschließend die Autobots im Orbit der Erde, dass sich der Allspark tatsächlich auf der Erde befindet.
Dabei wird er jedoch von Sam beobachtet.
In der Zwischenzeit ist der Decepticon Frenzy, als Radiorecorder getarnt in die Air Force One eingedrungen.
Dort soll ein Computervirus zu installieren, das sämtliche Funkverbindungen weltweit stören und zugleich nach Hinweisen auf den Allspark zu suchen soll.

Hierdurch werden die Decepticons ebenfalls auf die Fährte Captain Witwickys und dessen Nachfahren Sam gelenkt. Daraufhin wird Sam von Barricade, dem Partner Frenzys, angegriffen, doch Bumblebee kommt ihm und Mikaela zu Hilfe.
Nachdem Bumblebee Barricade vorerst außer Gefecht gesetzt hat, bringt er Sam und Mikaela zum vereinbarten Treffpunkt mit den übrigen Autobots, die in der Zwischenzeit auf der Erde gelandet sind. Nachdem Optimus Prime Sam die Situation erklärt hat, willigt dieser ein, den Autobots die antike Brille auszuhändigen.
Erschwert wird die Sache jedoch dadurch, dass mit der Geheimdienst für Extraterrestrische Aktivitäten, genannt „Sector Seven“, die vor Jahrzehnten den von Captain Witwicky entdeckten Megatron in ihren Besitz gebracht und mittels Reverse Engineering dazu genutzt hat, den technischen Fortschritt der Menschheit enorm voranzutreiben, eine dritte Partei auf den Plan tritt.

===Zweiter Akt===
Unwillig, zwischen Feinden und Verbündeten im Geiste zu unterscheiden, nehmen sie Bumblebee gefangen und bringen diesen in ihr geheimes Hauptquartier im Inneren des Hoover-Staudamms, wo sich auchder weiterhin tiefgefrorene Megatron und der AllSpark befinden.
Sam, Mikaela, Lennox, Epps sowie die Computerspezialistin Maggie Madsen, welche das Signal der Decepticons mit Hilfe ihr befreundeten Hackers Glen Whitman geknackt hat, werden zusammen mit dem US-Verteidigungsminister John Keller ebenfalls dorthin verfrachtet
Während Frenzy ebenfalls ins Hauptquartier von Sector Seven eindringt, Megatron befreit und die übrigen Decepticons herbeiruft, gelingt es Sam, die Eliteeinheit um Lennox davon zu überzeugen, dass Bumblebee keine Bedrohung darstellt. Als die Decepticons den Staudamm angreifen, fliehen Sam, Mikaela, Bumblebee, Lennox und Epps mit dem Allspark und treffen unterwegs auf die übrigen Autobots, welche anhand der Brille den AllSpark orten konnten.
Während sich Maggie, Glen, Keller und Sector Seven-Agent Reginald Simmons in einem Funkraum im Inneren des Damms verschanzen um gegen Frenzy anzutreten, weklcher um jeden Preis versucht Keller daran zu hindern den Streitkräften der U.S.-Army den Feuerbefehl zu erteilen und die US-Streitkräfte alarmieren.

Auf dem Weg in eine nicht näher beschriebene Stadt, welche von der Army nur als „Mission City“ betitelt wird, wird der Konvoy bestehend aus Truppen der U.S.-Army und den Autobots von den Deceptions Bonecrusher und Barricade attackiert. Bonecrusher wird in einem kurzen, aber sehr heftigen Intermezzo auf dem Highway von Optimus Prime schwer beschädigt, evtl. sogar zerstört.
Der Verbleib von Barricade kann nicht ausreichend geklärt werden.
Während der Comicband zum Film zeig wie Optimus Prime auch diesen Decepticon im Nahkampf den gar aus macht, verschwindet dieser im Film einfach Spurlos!
Womöglich zu Gunsten eines Auftritts in dem für 2009 angekündigten zweiten Teils.

===Dritter Akt===
In der Stadt kommt es schließlich zum alles entscheidenden Showdown zwischen den Autobots, den Decepticons und der US-Armee, welche Unterstützt wird von Spezialeinheiten der „Sector 7“.
Währen die Autobots unter Dauerfeuer von Devestator (Brawl), sowie Starscream und Blackout genommen werden, landet Megatron in der Stadt um Sam den AllSpark abzunehmen.
Devestator wird von Ratchet, Ironhide, Bumblebee und Jazz zerstört.
Blackout unterliegt einer Finte von Lennox welcher Blackout mittels eines Großkalibers niederstreckt.
Megatron zerstört derweil den Autobot Jazz, welche sich tapfer dem übermächtigen und vielfach größeren gegner gestellt hat.

Nach der Vernichtung Jazz‘ liefert Megatron sich einen erbitterten Kampf mit seinem Erzfeind Optimus Prime.
Zum Ende gelingt es Sam, den AllSpark zu zerstören, indem er diesen Megatron in die Brust drückt und letzteren auf diese Weise augenscheinlich ebenfalls tötet.
Nach der siegreichen Schlacht bittet Bumblebee, unter Wiedererlangung seiner Stimme, darum bei Sam bleiben zu dürfen, woraufhin sich die Autobots entschließen, fortan auf der Erde zu leben, da die Hoffnung auf die Wiedererweckung Cybertrons mit der Zerstörung des Allspark aussichtslos erscheint.

Die leblosen Körper der Decepticons (mit Ausnahme von Starscream, Barricade und Scorponok) werden im Meer versenkt. Im Abspann ist zu sehen, wie Starscream die Erdatmosphäre verlässt, sich in seine Protoform zurückverwandelt und ins Weltall flieht.