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)的襲擊，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……
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。最後關頭，山姆將火種源插入了威震天的心臟，威震天死了。威震天的機械軀體被扔進了海底，破損的火種源也回到了擎天柱的手中
第二部： 汽車人和人類軍方正在策劃壹場防止霸天虎復仇的秘密戰爭，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得要悠久。最早的7個“The Primes”（超級領袖），為了獲取更多的能量，這群變形金剛發明了“原能矩陣”，它可以用來驅動壹種從恒星吸取能量的裝置（就是生產能量塊Energon的裝置）。“The Primes”們在茫茫宇宙中到處尋找可以為他們提供能量的恒星，但他們也***同發誓：如果那顆恒星周圍有生命的存在，他們就不會對那顆恒星下手。
rimes們來到地球，見到了早期的人類，他們被人當作了神靈。墮落金剛想要把原能矩陣據為己有，於是
他選擇背叛誓言。另外6個超級領袖為了不讓他得逞把原能矩陣藏在了用自己身體鑄成的墓中（他們融化了自己）。墮落金剛沒有停止尋找，只有“The Primes”的後代“擎天柱”可以打敗他。片中主人公山姆的使命就是找到矩陣，讓擎天柱復活。他和他的女朋友在朋友們的幫助下終於在埃及找到了矩陣，並讓美國軍方用C-17運輸機將擎天柱的殘骸運達那邊。但與此同時，霸天虎們也發現了。由此壹場惡戰展開。終於，正義戰勝了邪惡，山姆成功的讓擎天柱復活。又打敗了墮落金剛
第三部：20XX年，山姆和女友米凱拉到中國湖南湘西旅遊，為保護夥伴的安全，大黃蜂也隨同前往。為了適應中國，山姆和女友米凱拉都學會了壹口流利的中文，而且還帶點湖南口音，大黃蜂變換成國產的夏利轎車，也說中國話了。在後來的戰鬥中，擎天柱變形成壹汽解放、鐵皮變形成比亞迪F3、救護車變形成吉利“遠景”。
在中國湘西的美景與美食下，山姆和米凱拉有點樂不思蜀了。但在古城鳳凰，大黃蜂發現了遠古機械人留下的特殊符號。根據山姆腦海中殘留的魔方能量的提示，大黃蜂發現在湘西的鳳凰城裏保留著遠古機械人留下的能量轉化裝置，該裝置可將地球上任何生命體賦予其變形及組合能力。大黃蜂將這壹重要發現報告給遠在美國夏威夷群島渡假的擎天柱等其它汽車人。
同時，出逃的威震天在變形為間諜衛星的聲波的幫助下得到了這壹重要消息，於是，威震天帶領其它霸天虎向地球進發。
中國軍方通過中美軍事熱線得知了霸天虎要進攻中國的消息，於是，成龍扮演的特種部隊城管指揮官開始向湘西出發，執行保護山姆及其女友的任務。在得知中國軍方的計劃後，美國國防部的大佬們對中國軍隊的實力非常滿意，並商定由中國盟友來獨自對付入侵的霸天虎們。
同時，為摧毀停留在太空中的霸天虎“衛星”聲波，成龍開始搭乘“神舟X號”太空戰艦向宇宙進發。執行任務的成龍與來自天頂星的女外星人發生了壹段浪漫的愛情。
在中國南海和東海邊，兩只航空母艦戰鬥群嚴陣以待，隨時打擊由海上入侵的霸天虎們。
在海上執行巡邏任務的東海艦隊，與入侵的霸天虎在日本上空展開激戰。中國航母艦載機J-78攜帶強大武器裝備與紅蜘蛛等霸天虎戰鬥，在戰鬥中，準備入侵的霸天虎們紛紛被擊落，日本本土遭受了自美軍原子彈轟炸以來最嚴重的破壞（據說制片方在設計此場景時考慮到廣大中國憤青的感受，他們在論壇上壹次又壹次地要求血洗日本。而日本人對此場景的描述極其憤慨，曾壹度提出退出投資，但美國人不鳥他，因為日方投資離開了，馬上有中方投資進入）。
在古城鳳凰，這裏的戰鬥最為激烈與驚險。威震天壹度差點奪得能量轉化裝置，但在中國指揮官的英明指揮下，憑著中國軍人的頑強意誌及先進的武器裝備，同時也由於擎天柱等汽車人協助，最後入侵的霸天虎被全部消滅。
在打敗了入侵的霸天虎後，汽車人們對中國軍隊，尤其是城管的的戰鬥力非常欽佩。
據稱，該影片將引入大量的中國元素，比如中國美食、廟會皮影戲等地方民俗、其它中國國粹等。該影片基本是壹部完全中國化的好萊塢大片（據稱，歐洲及非洲國家非常擔心此影片帶來的“中國文化”入侵）。
制片方後來加入的影片結尾部分引起了廣大第二第三世界人民的極大擔憂。結尾部分是中美雙方軍事人員在打敗霸天虎後互相道賀，美國國防部稱將由中美兩國聯合統治地球。