Distribution principale :
* Shia LaBeouf dans le rôle de Sam Witwicky
* Rosie Huntington-Whiteley dans le rôle de Carly Spencer
* Josh Duhamel dans le rôle de William Lennox
* Tyrese Gibson comme Robert Epps
* Patrick Dempsey comme Dylan Gould
* John Malkovitch dans le rôle de Bruce Brazos
* Frances McDormand comme Mdm. Anya Kovacs
Distribution secondaire :
* Kevin Dunn dans le rôle de Ron Witwicky
* Julie Blanc dans le rôle de Judy Witwicky
* John Turturro en tant qu'agent Simmons
* Buzz Aldrin comme lui-même
* Léonard Nimoy en tant que Sentinel Prime (voix)
* Ken Jeong comme Jerry Wang
Cette liste comprend à la fois les acteurs principaux et ceux qui ont joué des rôles secondaires clés dans le film.