El mayo de 2010 Huntington-Whiteley grabó la tercera película de la serie de Transformers, Transformers: el lado oscuro de la luna. En el filme encarnó a Carly Spencer, nueva pareja sentimental de Sam Witwicky, personificado por Shia LaBeouf, en reemplazo de Megan Fox y su personaje Mikaela Banes. Previamente la modelo había trabajado con el director de la saga Michael Bay en una publicidad de Victoria's Secret, pero no contaba con experiencia profesional en el rubro. Antes de que la película se diera a conocer recibió algunos reconocimientos; La Asociación Nacional de Dueños de Cines le otorgó el Premio a la estrella femenina del mañana en los galardones CinemaCon de 2011, y el sitio web NextMovie.com, propiedad de MTV Networks, la incluyó en una lista de las veinticinco nuevas estrellas de cine de interés de 2011. Victoria's Secret también confeccionó un video felicitando a su empleada por su rol en la película.