大黄蜂（Bumblebee）：电影系列事实上的主角，最具人气的变形金刚角色之一，兼具可爱与勇敢的大男孩性格，与人类男孩山姆共命运的伙伴。变形为黄色赛车条纹GMC Chevrolet Camaro 科麦罗 跑车。
擎天柱（Optimus Prime）：普莱姆斯一族荣光的后裔，宇宙中自由、正义与勇气的化身。杰出的汽车人领袖，出色的领导者。红蓝白相间的卡车形象，你是不是会联想到美国式的蓝领英雄？（擎天柱的色调恰为美国国旗色）变形为蓝色、白色与火焰红Peterbilt 389 彼特比尔特 卡车头。
铁皮（Ironhide）：爵士阵亡后，铁皮成为了事实上汽车人的二把手，身经百战，是擎天柱最忠实的死党，虽与人类合作但仍看不惯人类官僚的作风，嫉恶如仇。变形为黑色GMC TopKick 6500型皮卡。
救护车（Ratchet）：汽车人军医，经验丰富的老战士。变形为黄绿色悍马H2越野车。
横炮（Sideswipe）：汽车人中的帅哥，侠客气质，动作飘逸潇洒，擅长使用冷兵器。变形为银灰色GMC Corvette Stingray百年纪念版概念跑车。
双胞胎（The Twins）：刹车（Skids）和挡泥板（Mudflap），汽车人中的小老弟，不折不扣的搞笑角色，喜欢模仿黑人小痞子的说话方式，虽然经常惹出小麻烦，但战斗起来毫不含糊，据说迈克尔·贝导演也很喜欢这两个角色。双胞胎的出现，确实为影片增色不少。双胞胎变形为冰淇淋车，以及红色GMC Chevy Trax、绿色Chevy Beat小型概念车款。这两款节能环保的车型有望通过上海通用在中国上市。
天火（Jetfire）：上古时代便留存在地球上的古老变形金刚，“寻找者”（Seekers）的一员。变形都不利索的老爷爷，记性也很差，早已对俗世大彻大悟。天火对战争及自己的霸天虎之身感到厌倦，加入了汽车人阵营。变形为SR-71 Blackbird黑鸟超音速侦察机。
转轮（Wheelie）：猥琐搞笑的一个角色。原本是霸天虎的间谍，被女主角米凯拉降伏之后成为了她的宠物，也算作汽车人阵营的一员。
阿尔茜（Arcee）：汽车人中的姐妹花，以女性形态登场，阿尔茜由三辆摩托组成，分别是红色摩托阿尔茜、紫色摩托阿尔茜与蓝色摩托克劳米娅（Chromia）。
摇摆（Jolt）：汽车人战士，善使用能量场，可以理解为救护车的副手。变形为蓝色Chevrolet Volt环保型概念车。
霸天虎/狂派（Decepticon）阵营
堕落金刚（The Fallen）：普莱姆斯族最初的一员，因背叛了族人而成为堕落金刚，妄图摧毁太阳系并独占火种源的能量，强大的威震天也不得不屈从在他的手下。霸天虎事实的幕后主人。
威震天（Megatron）：于深海中被忠心耿耿的部下救活，霸天虎的首领，擎天柱知根知底的老对手，发动了赛博坦内战并把战火烧到了地球上。火力凶猛，前肢可以变成巨炮，变形为外星飞船与坦克形态。
红蜘蛛（Starscream）：威震天的副手，野心勃勃的阴谋家，阴险狡诈，虽然尊威震天为首领，但一直想利用机会取其位而代之。威震天在《变1》毁灭之后篡位为王，但没能阻止威震天的死忠派们复活威震天，最终再度让出了霸天虎的王位。变形为F-22 Raptor猛禽隐形战斗机。
声波（Soundwave）：威震天的死忠派，霸天虎的情报官与间谍，信息战专家。在近地轨道运筹帷幄，控制了全世界的通信网络并找到了威震天遗骸的位置。变形为赛博坦飞船与卫星形态。
机器狗（Ravage）：犬型霸天虎，声波的直系仆从，霸天虎间谍，成功潜入美军基地并盗取火种源碎片。
手术刀（Scalpel）：蛛型机器人，由机器狗放出，具有医疗能力，主持了复活威震天手术及刑讯折磨山姆。
爱丽丝（Alice）：霸天虎隐者战士，化身为人类形态，对男主角实施威逼色诱，形象酷似《终结者》中最强的女终结者T-X。
碾碎器（Grindor）：霸天虎中的大块头，与《变1》中殒命的眩晕（Blackout）扫描成同样的MH-53M Pave Low IV低空铺路者直升机形态。
破坏者（Demolisher）：大闹上海滩的巨身型霸天虎，堕落金刚的嫡系。变形为Terex RH400矿用液压挖土机。
边路（Sideways）：霸天虎杂兵之一，变形为Audi R8跑车。
撒克巨人（Scorponok）：蝎型霸天虎，《变1》中存留下来的霸天虎余党。
大力神（Devastator）：挖地虎（Constructicons）中的一部分工程车辆合体而成的巨型组合金刚，行动迟缓但力大无穷，口部可以吸食并碾碎一切眼前的障碍物。
挖地虎（Constructicons）：包括狂暴（Rampage）、拖斗（Long Haul）、搅拌大师（Mixmaster）、铲土机（Scrapper）等。在深海中复活威震天的一众威震天死忠部下，在埃及一役中令汽车人与人类联军陷入苦战。令人略显费解的是，一部分挖地虎成员组合成大力神时，其余成员正在保持其原有状态下与联军交火。与G1概念不同，挖地虎也许是多成员（每样车型都不止一名）的量产类型，也许是扫描地球形态种类有限。其实，真正的原因可能是制片方节省经费，没有塑造新的成员形象，沿袭了第一部眩晕形态的碾碎器也是如此。
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