《变形金刚3》的主要演员包括希亚·拉博夫、乔什·杜哈明、约翰·特托罗、泰瑞斯·吉布森、罗茜·汉丁顿-惠特莉、帕特里克·德姆西、约翰·马尔科维奇和弗朗西斯·麦克杜蒙德等。
希亚·拉博夫：饰演山姆·维特维奇，影片的男主角。山姆是变形金刚系列的核心人类角色，在第三部中继续承担着连接人类与汽车人关系的重要使命。他从一个普通青年逐渐成长为能够勇敢面对危机的关键人物，在面对霸天虎的威胁和新反派迪伦·古尔德的阴谋时，努力保护地球和身边的人。希亚·拉博夫通过细腻的表演，将山姆的紧张、勇敢、迷茫等多种情绪展现得十分到位，使观众能够深入地感受到角色的内心世界。
乔什·杜哈明：饰演威廉·伦诺克斯，美国军队的军官。他在前两部中就有出色表现，在第三部里依旧是人类军队对抗霸天虎的重要力量。威廉·伦诺克斯有着坚定的信念和强烈的责任感，始终站在保护地球的第一线。乔什·杜哈明硬朗的外形和坚毅的气质与角色十分契合，他将军人的英勇无畏和果断决策演绎得淋漓尽致，为影片增添了紧张刺激的军事元素。
约翰·特托罗：饰演西蒙，一个充满智慧和幽默感的角色。西蒙在影片中常常以独特的视角和方式分析局势，为山姆等人提供帮助和建议。他的存在为紧张的剧情增添了不少轻松诙谐的氛围。约翰·特托罗凭借其出色的喜剧表演天赋，将西蒙这个角色刻画得生动有趣，让观众在欣赏精彩动作场面的同时也能会心一笑。
泰瑞斯·吉布森：饰演埃普斯，同样是美国军队的一员，与威廉·伦诺克斯并肩作战。埃普斯性格豪爽，重情重义，在战斗中勇往直前。泰瑞斯·吉布森通过自然的表演，将埃普斯的热情和勇敢展现得十分真实，他与乔什·杜哈明之间的默契配合也为影片增色不少。
罗茜·汉丁顿 - 惠特莉：饰演卡莉，山姆的女友。罗茜·汉丁顿 - 惠特莉作为模特出身，拥有出众的外貌和气质，为影片增添了一抹亮丽的色彩。卡莉在影片中不仅是山姆的情感支柱，也在关键时刻展现出勇敢和智慧，帮助山姆一起对抗敌人。罗茜·汉丁顿 - 惠特莉的表演虽然略显青涩，但她成功地将卡莉的温柔与坚强融合在一起，给观众留下了深刻的印象。
帕特里克·德姆西：饰演迪伦·古尔德，影片的反派角色。迪伦·古尔德表面上是成功的企业家，实则与霸天虎勾结，企图利用汽车人的技术来达到自己统治地球的邪恶目的。帕特里克·德姆西通过精湛的演技，将迪伦·古尔德的阴险狡诈和野心勃勃展现得入木三分，让观众对这个反派角色恨之入骨。
约翰·马尔科维奇：饰演布鲁斯·布拉索斯，一个性格古怪、行为怪异的角色。布鲁斯·布拉索斯在影片中为剧情的发展带来了一些意想不到的转折和惊喜。约翰·马尔科维奇以其独特的表演风格，将这个角色的荒诞和滑稽演绎得十分精彩，成为影片中的一大亮点。
弗朗西斯·麦克杜蒙德：饰演夏洛特，一位政府官员。她在影片中代表着官方的立场和决策，在处理变形金刚相关事务时发挥着重要作用。弗朗西斯·麦克杜蒙德凭借其深厚的表演功底，将夏洛特的严肃、果断和理智展现得恰到好处，使角色形象十分丰满。
