Shia LaBeouf se tourne vers la comédie dès l'adolescence, faisant du stand-up dans des bars de Los Angeles. Très vite, son bagout et sa débrouillardise lui ouvrent les portes des castings : il est choisi en 1998, à l'âge de douze ans, pour tenir l'un des rôles principaux de la comédie familiale The Christmas Path. Multipliant les expériences sur petit écran, avec notamment un populaire rôle dans la série La Guerre des Stevens, il doit attendre 2003 pour retrouver le cinéma avec La Morsure du lézard, film d'aventure d'Andrew Davis dans lequel il côtoie Sigourney Weaver.

Les choses vont alors très vite pour Shia LaBeouf, qui impose avec succès un personnage de jeune homme décontracté, blagueur et un rien frondeur. Apparaissant aux génériques de grosses productions comme Charlie's angels - les anges se déchaînent (2003), I, Robot (2004) et Constantine (2005), où il donne la réplique à des stars comme Cameron Diaz, Will Smith et Keanu Reeves, il devient rapidement l'un des grands espoirs du cinéma américain. En 2006, ses prestations dans les drames Il était une fois dans le Queens et Bobby lui apportent en outre la reconnaissance critique.

2007 est l'année de la consécration. Shia LaBeouf tient la vedette du thriller Paranoiak et du blockbuster Transformers de Michael Bay, deux gros succès au box-office américain, et prête sa voix à Cody, le pingouin surfeur des Rois de la glisse. En 2008, il poursuit son parcours de rêve en incarnant la jeune recrue du très attendu Indiana Jones 4, sous la direction de Steven Spielberg et aux côtés de l'aventurier Harrison Ford. Les deux années qui suivent sont placées sous le signe des retrouvailles pour l'acteur puisqu'il travaille de nouveau sous la direction du metteur en scène de Paranoiak, D.J. Caruso, pour L'Oeil du mal, thriller sur fond de paranoïa et de terrorisme avant de s'illustrer à nouveau aux côtés de Megan Fox dans le second volet de Transformers, réalisé par Michael Bay.

En 2010, l'acteur poursuit sur sa lancée en jouant dans New York, I Love You, un film faisant suite à Paris, je t'aime (2006), composé de plusieurs courts-métrages réalisés par divers metteurs en scène. Cette même année, il donne la réplique à Michael Douglas et Josh Brolin dans Wall Street : l'argent ne dort jamais d'Oliver Stone, suite de Wall Street, sorti 23 ans auparavant. Le comédien revient sur les écrans à l'été 2011 avec le troisième volet de Transformers, toujours sous la direction de Michael Bay mais sans Megan Fox, remplacée par Rosie Huntington-Whiteley. L'année suivante, il fait partie de la prestigieuse distribution de Des Hommes sans loi, qu'il vient présenter à Cannes, puis tourne sous la direction de Robert Redford dans le thriller Sous surveillance (2013).

Acteur polyvalent, il n'hésite pas à surprendre avec ses choix artistiques. En témoigne, sa participation au clip du groupe irlandais Sigur Ros, où il s'affiche dans le plus simple appareil, ou dans les deux épisodes de Nymphomaniac, où il apparaît dans de nombreuses scènes explicites. Courant 2014, on l'aperçoit dans le thriller Charlie Countryman, dans lequel il campe un touriste américain amoureux de la femme d'un gangster, puis dans Fury, où il fait la guerre aux côtés de Brad Pitt.