O filme começa com um prólogo mostrando o que aconteceu em Cybertron nos últimos dias de guerra, e o que deu origem à Corrida Espacial entre os Estados Unidos e a União Soviética. Uma nave Autobot chamada Arca, comandada por Sentinel Prime, cai na Lua da Terra em 1961. Em 1969, a missão Apollo 11 vai para a Lua investigar o ocorrido.
Nos tempos atuais, o amigo humano dos Autobots, Sam Witwicky, vive em Washington com Carly, sua nova namorada, Wheelie e Brains, dois pequenos Autobots refugiados, e Bonecrusher, cão que pertencia a Mikaela, sua ex-namorada. Sam não está nada contente por não ter ganhado um emprego do governo, já que ele salvou o mundo duas vezes, e se vê obrigado a procurar emprego. Consegue emprego em uma empresa chamada Accureta Sistems, onde conhece Jerry, um misterioso funcionário da empresa que já trabalhou para a Nasa. Quando Jerry é assassinado pelo Decepticon Laserbeak, Sam procura seus amigos Autobots para tentar investigar o que está acontecendo.
