Embauché dans une entreprise de Washington grâce à l'intervention de Dylan, le patron de sa compagne Carly, Sam Witwicky apprend d'un cadre paniqué que la guerre risque de reprendre sur la Terre entre les Autobots et les Decepticons, des robots polymorphes géants venus de Cybertron, une planète aujourd'hui en voie d'extinction. Il appert qu'en 1961, un vaisseau autobot s'est écrasé sur la face cachée de la lune. Si pour les États-Unis cet événement, demeuré top secret, a déclenché la course à l'espace avec l'URSS, pour les deux factions de robots, il constitue un enjeu pour leur survie. Mis au courant de l'existence de l'épave, Optimus Prime, chef des Autobots et allié de l'armée américaine, réussit à rapatrier le conducteur, son mentor Sentinel Prime. Or, sitôt ressuscité grâce à la matrice, celui-ci s'empresse de s'allier aux Decepticons afin de ramener le chargement du vaisseau, un dispositif complexe capable de redonner vie à Cybertron, en détruisant du coup la Terre. Sam se rend alors à Chicago, lieu de l'imminente opération cosmique, afin de sauver le monde et plus particulièrement Carly, enlevée par le fourbe Dylan, en cheville avec les Decepticons.