Cast principale:
* Shia LaBeouf nel ruolo di Sam Witwicky
*Rosie Huntington-Whiteley nel ruolo di Carly Spencer
* Josh Duhamel nel ruolo di William Lennox
* Tyrese Gibson nel ruolo di Robert Epps
* Patrick Dempsey nel ruolo di Dylan Gould
* Giovanni Malkovich nel ruolo di Bruce Brazos
*Frances McDormand come Mdm. Anya Kovacs
Cast di supporto:
* Kevin Dunn nel ruolo di Ron Witwicky
* Julie White nel ruolo di Judy Witwicky
* Giovanni Turturro nel ruolo dell'agente Simmons
* Buzz Aldrin come se stesso
* Leonard Nimoy nel ruolo di Sentinel Prime (voce)
*Ken Jeong nel ruolo di Jerry Wang
Questo elenco include sia gli attori principali che quelli che hanno interpretato ruoli secondari chiave nel film.