Megan Fox se découvre très tôt une vocation de comédienne en prenant des cours de théâtre et de danse dès l'âge de 5 ans, activité qu'elle poursuit en Floride après un déménagement familial. S'essayant également au mannequinat durant son adolescence, elle débute au cinéma dans Vacances Sous Les Tropiques (2001), une comédie familiale mettant en vedette les jumelles Mary-Kate et Ashley Olsen, mais ses premiers rôles sont surtout à la télévision. Elle apparait dans des séries comme Mon oncle Charlie (2003) et Ce que j'aime chez toi (id.) et obtient un rôle régulier dans La Star de la famille (2004-2006). Au cinéma, elle joue aux côtés de Lindsay Lohan dans la comédie Journal intime d'une future star (2004).

Cependant, c'est grâce au réalisateur Michael Bay et à la franchise Transformers que la jeune comédienne va véritablement s'imposer sur le devant de la scène hollywoodienne. En donnant la réplique à Shia LaBeouf dans les deux premiers volets de cette saga robotique extrêmement lucrative, Megan Fox est propulsée au rang de Sex-Symbol. Après ces films à gros budgets, l'actrice fait un virage à 180° en acceptant le rôle titre du film Jennifer's Body (2009), sur un scénario de Diablo Cody, dans lequel elle incarne une pom-pom girl aussi sexy que meurtrière.

Megan Fox participe également à Un Anglais à New York et Jonah Hex, deux échecs commerciaux qui n'ont pas les honneurs d'une sortie dans les salles françaises malgré leurs castings alignant les têtes connues (Jeff Bridges, Kirsten Dunst et Simon Pegg pour le premier, John Malkovich, Josh Brolin et Michael Fassbender pour le second). En 2012, l'actrice fait son retour sur les écrans et prouve qu'elle est également à l'aise dans les comédies en apparaissant dans The Dictator (dans son propre rôle), Friends With Kids et This Is 40. Elle se glisse ensuite dans la peau de la jolie April O'Neil pour les besoins du film Ninja Turtles. Compte tenu du succès du blockbuster, une suite voit le jour deux ans plus tard.

Megan campe parallèlement un personnage régulier dans la sitcom New Girl, celui de la très professionnelle femme d'affaires Reagan Lucas. On la voit ensuite dans Zeroville de James Franco, le film de guerre La Bataille de Jangsari, le film d'action Rogue et le thriller La Proie. En 2023, elle est en tête d'affiche de Expend4bles, quatrième opus de la franchise d'action initiée par Stallone en 2010.