Hoofdcast:
* Shia LaBeouf als Sam Witwicky
* Rosie Huntington-Whiteley als Carly Spencer
* Josh Duhamel als William Lennox
* Tyrese Gibson als Robert Epps
* Patrick Dempsey als Dylan Gould
* John Malkovich als Bruce Brazos
* Frances McDormand als Mdm. Anya Kovacs
Bijrollen:
* Kevin Dunn als Ron Witwicky
* Julie White als Judy Witwicky
* John Turturro als Agent Simmons
* Buzz Aldrin als hijzelf
* Leonard Nimoy als Sentinel Prime (stem)
* Ken Jeong als Jerry Wang
Deze lijst bevat zowel de hoofdrolspelers als degenen die belangrijke bijrollen in de film speelden.