Alors que Transformers 2: la Revanche a déçu beaucoup de fans et même certains acteurs du films, Michael Bay a promis que le troisième volet serait une sorte "de retour aux sources" et serait "plus crédible, moins confus, tout en étant toujours autant spectaculaire".
Shia LaBeouf est présent depuis le premier volet de la saga Transformers, cependant il a annoncé en juin 2011, que le troisième épisode serait sans doute son dernier.
Megan Fox, qui interprétait Mikaela dans les deux premiers Transformers, n'est pas au générique du troisième volet. Selon diverses informations, sa mauvaise relation avec Michael Bay lui aurait été fatale.
Pour remplacer Megan Fox dans le cœur de Shia LaBeouf, les producteurs de Transformers 3 ont choisi Rosie Huntington-Whiteley, l'égérie de la célèbre marque de lingerie Victoria's Secret.
Comme lors des deux premiers volets, c'est le groupe américain Linkin Park qui interprète la chanson du générique de fin.
La plus grande partie du tournage s'est déroulée dans les villes de Los Angeles, Detroit, Washington et surtout Chicago.
A cause du succès d'Avatar, la Paramount a demandé à Michael Bay de tourner son film en 3D. Au départ, celui-ci n'était pas très enthousiaste, mais il a fini pas accepter le défi. Pour l'occasion, Vince Pace, un des collaborateurs de James Cameron, est venu l'aider.
Roberto Orci et Alex Kurtzman, scénaristes des deux premiers Transformers, ont choisi de ne pas revenir pour le troisième épisode.
Le personnage de Carly, interprété par Rosie Huntington-Whiteley, est apparu pour la première fois lors de la deuxième saison du dessin animé Transformers, en 1985.
Transformers 3 - La Face cachée de la Lune accueille Frances McDormand, l'actrice fétiche des frères Coen, lauréate d'un Oscar de la Meilleure actrice pour Fargo, en 1996. Si pour certains, il est étrange de retrouver l'actrice au générique d'un film d'action, cette dernière explique avoir joué dans le film juste "pour le fun".
John Malkovich et Frances McDormand avaient déjà tourné ensemble dans la comédie Burn After Reading.
James Avery est le second acteur du Prince de Bel-Air à collaborer avec Michael Bay. Le premier était Will Smith, qui était au générique de Bad Boys et Bad Boys II.
Ken Jeong, qui interprète Jerry Wang, est plus connu pour son rôle de gangster dans Very Bad Trip.
Le tournage s'est arrêté durant quelques jours en septembre 2010, après qu'une figurante se soit pris sur la tête un câble retenant une voiture. Suite à l'accident, elle a dû subir diverses opérations, dont une au cerveau. Elle est aujourd'hui paralysée du côté gauche. Et bien que la Paramount ait payé tous les frais médicaux, la famille de la victime a porté plainte contre la major et s'est vue octroyer la somme de 350 000 $ de dommages et intérêts.
Patrick Dempsey, qui a rejoint le casting de Transformers 3 - La Face cachée de la Lune en juin 2010, est plus connu des amateurs de séries pour son rôle de Derek Sheperd alias "Docteur Mamour" dans la série médicale Grey's Anatomy.
Le moment préféré de Peter Cullen est lorsque spoiler: Optimus Prime rencontre l'astronaute Buzz Aldrin.
Deborah Lynn Scott, costumière sur Transformers 3, a remporté l'Oscar des Meilleurs costumes pour Titanic, en 1998. Fidèle collaboratrice de James Cameron, Michael Bay et Edward Zwick, elle est célèbre pour avoir réalisé les costumes de Retour vers le futur.
Comme pour les deux premiers volets, c'est Steven Spielberg qui fait office de producteur exécutif.
La voix de Sentinel Prime est celle de Leonard Nimoy, alias Spock dans la série Star Trek.
Hugo Weaving, qui prête sa voix à Megatron, est abonné aux sagas puisqu'il était aux génériques du Seigneur des anneaux et de Matrix.
Joel Negron, monteur sur Transformers 3 - La Face cachée de la Lune, est un fidèle collaborateur de Tim Burton. Il a notamment participé au montage de Big Fish, La Planète des singes, Sleepy Hollow, la légende du cavalier sans tête et Mars Attacks!.