第一部：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)的袭击，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。他们从胡佛大坝一直杀到洛杉矶……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。最后关头，山姆将火种源插入了威震天的心脏，威震天死了。威震天的机械躯体被扔进了海底，破损的火种源也回到了擎天柱的手中
第二部：汽车人和人类军方正在策划一场防止霸天虎复仇的秘密战争，随着越来越多的变形金刚重新浮出水面，人们发现这些机器人在地球上的历史远比他们想象得要悠久。最早的7个“The Primes”（超级领袖），为了获取更多的能量，这群变形金刚发明了“原能矩阵”，它可以用来驱动一种从恒星吸取能量的装置（就是生产能量块Energon的装置）。“The Primes”们在茫茫宇宙中到处寻找可以为他们提供能量的恒星，但他们也共同发誓：如果那颗恒星周围有生命的存在，他们就不会对那颗恒星下手。
rimes们来到地球，见到了早期的人类，他们被人当作了神灵。堕落金刚想要把原能矩阵据为己有，于是
他选择背叛誓言。另外6个超级领袖为了不让他得逞把原能矩阵藏在了用自己身体铸成的墓中（他们融化了自己）。堕落金刚没有停止寻找，只有“The Primes”的后代“擎天柱”可以打败他。片中主人公山姆的使命就是找到矩阵，让擎天柱复活。他和他的女朋友在朋友们的帮助下终于在埃及找到了矩阵，并让美国军方用C-17运输机将擎天柱的残骸运达那边。
但与此同时，霸天虎们也发现了。由此一场恶战展开。终于，正义战胜了邪恶，山姆成功的让擎天柱复活。又打败了堕落金刚
第三部：20XX年，山姆和女友米凯拉到中国湖南湘西旅游，为保护伙伴的安全，大黄蜂也随同前往。为了适应中国，山姆和女友米凯拉都学会了一口流利的中文，而且还带点湖南口音，大黄蜂变换成国产的夏利轿车，也说中国话了。在后来的战斗中，擎天柱变形成一汽解放、铁皮变形成比亚迪F
3、救护车变形成吉利“远景”。
在中国湘西的美景与美食下，山姆和米凯拉有点乐不思蜀了。但在古城凤凰，大黄蜂发现了远古机械人留下的特殊符号。根据山姆脑海中残留的魔方能量的提示，大黄蜂发现在湘西的凤凰城里保留着远古机械人留下的能量转化装置，该装置可将地球上任何生命体赋予其变形及组合能力。大黄蜂将这一重要发现报告给远在美国夏威夷群岛渡假的擎天柱等其它汽车人。
同时，出逃的威震天在变形为间谍卫星的声波的帮助下得到了这一重要消息，于是，威震天带领其它霸天虎向地球进发。
中国军方通过中美军事热线得知了霸天虎要进攻中国的消息，于是，成龙扮演的特种部队城管指挥官开始向湘西出发，执行保护山姆及其女友的任务。在得知中国军方的计划后，美国国防部的大佬们对中国军队的实力非常满意，并商定由中国盟友来独自对付入侵的霸天虎们。
同时，为摧毁停留在太空中的霸天虎“卫星”声波，成龙开始搭乘“神舟X号”太空战舰向宇宙进发。执行任务的成龙与来自天顶星的女外星人发生了一段浪漫的爱情。
在中国南海和东海边，两只航空母舰战斗群严阵以待，随时打击由海上入侵的霸天虎们。在海上执行巡逻任务的东海舰队，与入侵的霸天虎在日本上空展开激战。中国航母舰载机J-78携带强大武器装备与红蜘蛛等霸天虎战斗，在战斗中，准备入侵的霸天虎们纷纷被击落，日本本土遭受了自美军原子弹轰炸以来最严重的破坏（据说制片方在设计此场景时考虑到广大中国愤青的感受，他们在论坛上一次又一次地要求血洗日本。而日本人对此场景的描述极其愤慨，曾一度提出退出投资，但美国人不鸟他，因为日方投资离开了，马上有中方投资进入）。
在古城凤凰，这里的战斗最为激烈与惊险。威震天一度差点夺得能量转化装置，但在中国指挥官的英明指挥下，凭着中国军人的顽强意志及先进的武器装备，同时也由于擎天柱等汽车人协助，最后入侵的霸天虎被全部消灭。
在打败了入侵的霸天虎后，汽车人们对中国军队，尤其是城管的的战斗力非常钦佩。据称，该影片将引入大量的中国元素，比如中国美食、庙会皮影戏等地方民俗、其它中国国粹等。该影片基本是一部完全中国化的好莱坞大片（据称，欧洲及非洲国家非常担心此影片带来的“中国文化”入侵）。
制片方后来加入的影片结尾部分引起了广大第二第三世界人民的极大担忧。结尾部分是中美双方军事人员在打败霸天虎后互相道贺，美国国防部称将由中美两国联合统治地球。
