Un troisième film Transformers a été annoncé à Michael Bay par Paramount avant qu'il ne soit prêt, Bay se souvenant qu'il avait accepté une date de sortie du 1er juillet en pensant qu'il s'agissait de 2012, sans réaliser jusqu'à plus tard que Paramount entendait 2011.

Les scénaristes de la série originale Roberto Orci et Alex Kurtzman ont refusé de revenir pour le troisième film, estimant que la franchise méritait une perspective nouvelle, laissant Ehren Kruger comme seul scénariste crédité.

Un contenu bonus caché en Blu-ray de La Revanche des Tombés taquinait le personnage Unicron pour un Transformers 3 potentiel, mais les cinéastes ont finalement abandonné tout scénario impliquant le Transformer mangeur de planètes.

Michael Bay était initialement réticent à tourner en 3D, estimant que cela heurtait son style de cinéaste agressif, mais a été convaincu après des conversations avec le réalisateur d'Avatar James Cameron, qui a prêté son équipe technique et a comparé la 3D à « un jouet » qui ajoute de l'émotion et du caractère.

Megan Fox n'a pas repris le rôle pour le film après avoir comparé l'éthique de travail de Michael Bay à celle d'Adolf Hitler ; Bay a ensuite affirmé que le producteur Steven Spielberg lui avait dit de la licencier, une affirmation que Spielberg a niée.

Le vétéran de la série Transformers Corey Burton, qui avait doublé le personnage dans des séries antérieures, a été approché à l'origine pour reprendre Shockwave, mais a refusé en raison de conflits d'horaire et de désintérêt, ce qui a amené le rôle à aller à Frank Welker à la place.

Leonard Nimoy a doublé le nouveau personnage Sentinel Prime, ce qui a amené plusieurs références délibérées à Star Trek dans le scénario, notamment Sentinel citant la réplique de Spock « Les besoins du plus grand nombre l'emportent sur les besoins de quelques-uns » et Bumblebee rappelant la réplique de Spock « mon ami » de Star Trek II.

Lors du tournage à Hammond, en Indiana, un câble en acier s'est rompu d'une voiture en remorquage et a frappé la voiture d'une figurante, causant des dommages cérébraux graves ; Paramount a ensuite réglé avec sa famille pour 18 millions de dollars.

Lors du tournage d'une scène de poursuite à Washington, D.C., un SUV d'une unité canine de la police a accidentellement percuté la Camaro incarnant Bumblebee, endommageant gravement la voiture, après que le SUV soit entré par erreur dans la zone de tournage fermée en réponse à une menace à la bombe.

Le rendu de la créature Decepticon géante Driller a pris jusqu'à 122 heures par image, et la séquence de sa destruction d'un gratte-ciel généré par ordinateur a nécessité 288 heures par image en utilisant l'ensemble de la ferme de rendu d'ILM.

ILM a basé la conception faciale de Sentinel Prime partiellement sur l'acteur Sean Connery avant que Leonard Nimoy ne soit choisi, après quoi les effets ont été ajustés pour incorporer la performance de Nimoy.

Le film réutilise des séquences recyclées du film antérieur de Michael Bay The Island (2005), poursuivant un modèle après que Bay avait déjà réutilisé des séquences de son film Pearl Harbor dans le premier film Transformers.

Skids et Mudflap ont été délibérément écartés des rôles majeurs après le contrecoup sur leur comédie dans La Revanche des Tombés, Bay pariant publiquement 25 000 dollars que les personnages n'apparaîtraient pas ; ils n'ont finalement eu qu'une brève apparition en mode véhicule.