El elenco de la película está, en una palabra, repleto e incluye bastantes actores de primer nivel. Chris Hemsworth («Thor», «Extraction») lidera el reparto como Optimus Prime, con Brian Tyree Henry («Eternals», «Bullet Train») a bordo como Megatron. El reparto también incluye a Keegan-Michael Key («The Super Mario Bros. Movie», «Toy Story 4») como Bumblebee, Scarlett Johansson («Black Widow», «Asteroid City») como Alita, Jon Hamm («Mad Men, » «Tag») como Sentinel Prime, y Laurence Fishburne («El hombre de acero», «The Matrix») como Alpha Trion. Esto significa que Peter Cullen, la voz de Optimus Prime desde hace mucho tiempo, no volverá a interpretar su papel, y parece que Paramount se está inclinando por estrellas de renombre en lugar de actores de doblaje establecidos.