Transformers O lado oculto da lua

Autobots

• Optimus Prime - O líder dos Autobots, se transforma em um caminhão Peterbilt 379 como nos filmes anteriores, mas desta vez ele carrega um trailer que faz referência à série original dos anos 80. O trailer pode se transformar em uma plataforma de armas, onde Optimus guarda todo o seu armamento, e em uma armadura que dá à Optimus a capacidade de voo. Dublado por Peter Cullen.
• Sentinel Prime - Antigo líder dos Autobots e antecessor de Optimus na linhagem dos Primes. É na verdade um traidor que possui planos contra os Autobots para ajudar os Decepticons a dominar a Terra e recriar Cybertron como um império cruél. Se transforma em um caminhão de bombeiros Rosenbauer Panther 6x6 e é dublado por Leonard Nimoy.
• Bumblebee - Continua sendo um Camaro Concept como nos filmes anteriores, mas com diversas modificações notáveis. Ele continua falando através do rádio e agora vive com os outros Autobots no quartel general da NEST.
• Ironhide - O especialista em armas dos Autobots, continua se transformando em uma GMC Topkick. A única modificação em relação aos filmes anteriores foi a substituição de seus canhões por armas novas. Dublado por Jess Harnell.
• Ratchet - O médico Autobot. Seu modo alternativo ainda é uma Hummer H2 modificada em ambulância, porém com uma nova pintura cinza e verde limão. Dublado por Robert Foxworth.
• Sideswipe - Ainda se transforma em um Corvette Stingray como em Revenge of the Fallen, mas agora é um modelo conversível. Dublado por James Remar.
• Dino/Mirage - Se transforma em uma Ferrari 458 Italia. Possui lâminas nos braços diferentes das de Sideswipe, e chicotes elétricos semelhantes aos de Jolt. Dublado por Francesco Quinn.
• Que/Wheeljack - O Autobot inventor. Seu rosto é baseado em Albert Einstein. Se transforma em uma Mercedes Benz E550 e é dublado por George Coe.
• Roadbuster - Um dos Wreckers. Se transforma em um Chevrolet Impala NASCAR verde altamente modificado, apresentando diversas armas e peças robóticas no modo veículo. Dublado por Ron Bottitta.
• Leadfoot - Outro Wrecker. Se transforma em um Chevrolet Impala NASCAR vermelho, também cheio de modificações. Dublado por John DiMaggio.
• Topspin - O terceiro Wrecker. Se transforma em um Chevrolet Impala NASCAR azul igualmente modificado. É o único Autobot do filme que não fala.
• Wheelie - Se transforma em um carro-monstro de controle remoto como em Revenge of the Fallen, e consertou seu olho danificado. Vive com Sam e Carly em Washington e teme que Carly os abandone como Mikaela fez. Dublado por Tom Kenny.
• Brains - Velho amigo de Wheelie e um ex-Decepticon como ele. É incrivelmente inteligente para seu tamanho e estilo, e solta fumaça de sua cabeça. Se transforma em um laptop e é dublado porReno Wilson.
• Skids e Mudflap - Desta vez os Gêmeos Autobots compartilham do mesmo modo alternativo, o Chevrolet Spark. (veja notas para maiores informações)

Decepticons

• Megatron - Embora continue sendo o líder dos Decepticons, não é mais o vilão imbatível e impiedoso que foi antes. Sua batalha com Optimus Prime no fim de Revenge of the Fallen o forçou a escanear um novo modo alternativo, um caminhão M915 Line-Haul extremamente enferrujado, para se recuperar dos ferimentos. Embora tenha ganhado um braço direito novo, sua cabeça continua danificada e seu canhão de fusão foi reduzido a uma espécie de espingarda que fica guardada em suas costas. Dublado por Hugo Weaving.
• Starscream - Continua se transformando em um jato F-22 Raptor com as pinturas cybertronianas adicionadas em Revenge of the Fallen. Está ainda mais "insuportável" na maneira de bajular Megatron. Dublado por Charlie Adler.
• Soundwave - Abandonou o modo satélite do segundo filme para se transformar em uma Mercedes-Benz SLS AMG. O motivo do novo modo alternativo é fingir ser o carro de Carly para vigiar ela e Sam. Dublado por Frank Welker.
• Laserbeak - Uma ave cybertroniana que foi treinada para obedecer somente a Soundwave. Diferente dos Decepticons animais dos filmes anteriores, Laserbeak pode falar e apresenta um nível de inteligência suficiente para comprovar que ele não é apenas um drone como os outros. Tem a capacidade de se transformar em quase tudo que quiser que possua aproximadamente seu tamanho, como uma televisão, uma copiadora e um aparelho de som de parede. Um fato curioso é que ele também é capaz de se transformar em uma réplica rosa do Bumblebee em tamanho humano, mas faltando algumas partes. Dublado por Keith Szarabajka.
• Shockwave - Um Decepticon misterioso com um olho só. Já enfrentou Optimus várias vezes no passado. Não apresenta modo alternativo no filme, mas seus brinquedos oficiais o trazem como um tanque cybertroniano. Dublado por Frank Welker.
• Driller - Uma criatura monstruosa cheia de tentáculos que pertence a Shockwave. Em Cybertron, sua espécie era uma grande ameaça para qualquer facção.
• Barricade - Se transforma em uma viatura policial Saleen S281 Mustang. Depois de desaparecer no primeiro filme e não voltar no segundo, ele finalmente reaparece no terceiro. Dublado por Frank Welker (não creditado).
• Crankcase - É um dos Dreads. Se transforma em um Chevrolet SUV Suburban.
• Crowbar - Também é um Dread. Se transforma em uma SUV idêntica ao Crankcase, mas seu modo robô é completamente diferente.
• Hatchet - Mais um integrante dos Dreads. Apesar de possuir um modo alternativo idêntico aos outros dois Dreads, seu modo robô se assemelha a um grande felino.
• Igor - A cabeça "zumbi" de Long Haul, robô morto em Revenge of the Fallen, criou vida própria e se tornou mais um bajulador de Megatron. Dublado por Greg Berg.
• Watch-bot - Um relógio de pulso que consegue controlar o sistema nervoso do ser humano que o estiver usando. Seu modo robô assemelha-se a uma centopeia.
• "Cloverbot" - Há um Decepticon não nomeado que aparece várias vezes em Chicago baseado no monstro do filme Cloverfield. Ele não se transforma, mas possui peças que indicam que ele seja um veículo de construção semelhante aos Constructicons.
• Scalpels - Diversos robôs idênticos ao Scalpel de Revenge of the Fallen são vistos várias vezes consertando a cabeça de Megatron. O curioso é que Megatron costuma matá-los por diversão, o que poderia atrasar a reconstrução de sua cabeça.
• Protoformas - Vários Decepticons que atacam Chicago são Protoformas, ou seja, robôs que não se transformam em nada. Diferentemente de Revenge of the Fallen que apresenta apenas um modelo de Protoforma, este filme apresenta no mínimo três, inclusive um muito parecido com Crankcase. Outro tipo de Protoforma que aparece no filme são os filhotes que Megatron guarda em barris na África.
• Decepticons genéricos - Vários Decepticons que não receberam nomes e que não fazem mais de uma aparição são vistos durante o filme: Um robô igual ao Brawl do primeiro filme, mas marrom; Um robô idêntico ao Long Haul; Um robô idêntico ao Scrapper; Um robô idêntico ao Sideways; Uma camionete cheia de espinhos no modo robô; Um caminhão de lixo semelhante a Long Haul; um carro de polícia de Washington; e possivelmente um caminhão de bombeiros de Washington.

Humanos

• Sam Witwicky (Shia LaBeouf) - Sam agora está se tornando um adulto, e precisa arrumar um emprego. Ele acha injusto o governo não lhe dar um emprego por ele já ter salvo o mundo duas vezes. Vive em Washington com sua nova namorada Carly.
• Tenente-coronel William Lennox (Josh Duhamel) - Lennox continua trabalhando com os Autobots e lidera a equipe NEST.
• Seymour Simmons (John Turturro) - Simmons agora é rico, pois escreveu um livro de bastante sucesso falando sobre os alienígenas. Ele contratou Dutch, um antigo companheiro do Setor 7, para ser seu empregado pessoal.
• Sargento Robert Epps (Tyrese Gibson) - Epps se aposentou da Força Aérea e agora trabalha com os Wreckers na Nasa.
• Carly Spencer (Rosie Huntington-Whiteley) - A nova namorada de Sam, trabalhava para a Embaixada Britânica e agora vive em Washington com o namorado.
• Dylan Gould (Patrick Dempsey) - Dylan é o novo chefe de Carly. Mas por trás da boa pessoa que ele parece ser, Dylan é na verdade um espião dos Decepticons que faz tudo que eles o obrigarem para poder sobreviver.
• Ron Witwicky (Kevin Dunn) - Ron e Judy, os pais de Sam, saíram de viagem pelo mundo, e agora voltaram para Washington. Ron não está feliz pelo filho ainda não ter um emprego.
• Judy Witwicky (Julie White) - Judy aceita que Sam ainda esteja a procura de emprego, mas fica inconformada quando ele deixa Carly magoada.
• Bruce Brazos (John Malkovich) - O primeiro chefe de Sam. Ele tem várias manias estranhas, como organizar os andares por cores e ser proibido usar xícara vermelha no andar amarelo, como um exemplo visto no filme.
• Charlotte Mearing (Frances McDormand) - Diretora de inteligência nacional, é ela quem decide o que a equipe NEST deve fazer. Apesar de estar quase sempre estressada, ela vai se tornando alguém melhor com o passar do filme. Teve algum caso romântico com Seymour Simmons no passado.
• Hardcore Eddie (Lester Speight) - Um dos amigos de Epps que vai para Chicago com ele, servindo principalmente de alívio cômico.
• Dutch (Alan Tudyk) - Dutch possui um passado bastante misterioso. Ele já foi um agente do Setor 7, e agora trabalha para Seymour Simmons.
• Jerry Wang (Ken Jeong) - Jerry sabia dos segredos da Nasa, e é ele quem alerta Sam sobre o que está acontecendo. Mas em seguida é morto por Laserbeak.
• General Morshower (Glenn Morshower) - Morshower continua representando a equipe NEST no Pentágono, mas aparece bem menos que em Revenge of the Fallen.
• Neil Armstrong (Don Jeanes) - Armstrong foi um dos primeiros homens a pisar na Lua. Ele investigou a queda de uma nave alienígena na Lua com seu parceiro Buzz Aldrin.
• Buzz Aldrin (Cory Tucker/ele mesmo) - Buzz foi chamado por Charlotte Mearing para explicar à Optimus Prime os segredos da missão Apollo 11.
• Bill O'Reilly (ele mesmo) - Simmons dá uma entrevista ao vivo para Bill sobre seu novo livro, mas eles acabam se estressando e a entrevista acaba antes do previsto