Optimus prime apparaît dans Transformers: Animated en tant que chef de l'équipe Autobot des personnages principaux. Cette version diffère en de nombreux points des incarnations précédentes : ici, il est un jeune officier Autobot idéaliste partiellement inexpérimenté au début de la série, à l'opposé du chef suprême vétéran qu'il est dans Génération 1 et les autres versions qui ont précédé. Sa forte rivalité avec Mégatron est également retirée, le chef Decepticon arrivant désormais à peine à se souvenir même de son nom. Néanmoins, le caractère reste fidèle : Optimus est toujours noble, courageux, respectueux de toute forme de vie et héroïque. Il est aussi particulièrement honnête, et considère la vérité comme passant avant ses intérêts personnels.

Son histoire est peu à peu dévoilée au cours de la série. Il étudie à l'Académie des Autobots puis monte au rang de "prime", équivalent à celui d'un officier de la Garde d'Elite. Vers cette période, il fait équipe avec Sentinel prime et Elita 1, et se rapproche affectivement de la seconde. Lors d'une mission de recherche sur une planète inconnue, tous trois, poussés par Sentinel, trouvent un vaisseau Decepticon. Cependant, les créatures organiques locales, des araignées géantes, les attaquent. Dans la panique, Elita-1 se retrouve cernée par les arachnides et on la croit morte, amenant Optimus à l'abandonner pour sauver au moins Sentinel. Optimus gardera de cet incident une sorte d'arachnophobie, ainsi que la rancune féroce de Sentinel, qui ne lui pardonnera pas la mort apparente d'Elita.

Après ce sinistre incident, Optimus est recalé de la Garde d'Elite, sous l'influence de Sentinel, et envoyé commander l'Arche un vaisseau de réparation de Portes Stellaires, avec pour équipage Ratchet, Bumblebee, Bulkhead et Prowl. C'est à ce point que la série commence.

Lors d'une réparation a priori banale, l'équipe trouve accidentellement la Matrice, un précieux objet ayant permis la victoire des Autobots lors de leur précédent affrontement contre les Decepticons. Naturellement, ils sont immédiatement pris en chasse par les Decepticons. Dans la bataille spatiale qui suit, Mégatron aborde leur vaisseau afin de s'emparer de l'arctefact. Endommagé par une bombe placé traîtreusement par son second Starscream, Mégatron est vaincu et largué de l'Arche par Optimus alors que l'engin s'écrase sur Terre dans le lac de Detroit. Les Autobots se placent alors en stase.

50 ans plus tard, un accident scientifique dans l'un des Labos Sumdac engendre la création d'un monstre insectoïde, dont l'infiltration partielle dans l'Arche engendre l'éveil des Autobots. Optimus et son équipage, prenant alors des formes de véhicules locaux, interviennent et battent le monstre. Grâce à l'aide de Sari Sumdac, ils sont introduits à la population de Detroit, et sont acceptés comme visiteurs. Par la suite, ils assistent à la protection de la ville, devenant ainsi des héros pour la ville.

Peu après leur éveil, Optimus et ses équipiers doivent faire face à Starscream, venu reprendre la Matrice. Optimus est tué dans la bataille, mais Sari parvient à le ressusciter en utilisant sa Clé.

Sur Terre, Optimus fait par la suite une rencontre inattendue en la personne de Blackarachnia, une guerrière Decepticon techno-organique se transformant en araignée géante. Blackarachnia se révèle alors être Elita-1, toujours vivante mais changée en techno-organique suite à la contamination des araignées, et qui, pleine de rancœur contre les Autobots, s'est rangée du côté des Decepticons. Affligé, Optimus tente de la convaincre de revenir avec lui pour trouver sur Cybertron un moyen de la ramener à son état de robot originel, mais Blackarachnia, toujours rancunière, refuse.