東尼‧史塔克是一位企業家兼天才發明家，握有已故父親霍華‧史塔克的史塔克工業；但表面是愛國者的他，私底下卻是極度自戀自負的花花公子，藉著販售軍火的收入來逍遙自在。他與摯友兼空軍上校詹姆士‧羅德在阿富汗完成最新科技導彈「耶利哥」（Jericho）的測試，前往機場回國途中遭到一群武裝民兵襲擊。護衛隊全體陣亡，東尼被一顆出產於自己公司的火箭推進榴彈炸傷，而導彈碎片也直接插進他的胸腔。許久後，東尼在一個洞穴中清醒，發現自己的胸部中央被安裝了一個連接汽車蓄電池的電磁鐵。幫他動手術的男子伊沈解釋他身體裡的彈片插在深處而無法移除，只能靠這枚電磁鐵來避免他的心臟受損害。

綁架他們的本地武裝組織「十環幫」（Ten Rings），手持武器全都來自史塔克工業。十環幫命令東尼幫他們製造「耶利哥」來換取自由，東尼在同意的同時也開始安排逃亡計畫。拿到自己想要的武器材料後，東尼取出導彈中的金屬鈀，用一堆破銅爛鐵拼湊成一個小型方舟核反應爐；替代他身上的磁鐵。反應爐每秒會產生30億焦耳電量；東尼決定將其用在逃生工具上面：一架透過反應爐發電的鋼鐵戰甲。幾個月下來，東尼與伊沈全心投入製作戰甲，十環幫的首領拉扎（Raza）在不耐煩下命令隔天就是最後期限。東尼抓緊時間完成戰甲，設置好啟動程序後等待幾分鐘的運行，伊沈發現時間來不及後，拿一把槍衝出去後身中數槍。東尼在戰甲正式啟動後出動，用導彈炸燬洞穴外牆砸昏拉扎，而中槍奄奄一息的伊沈決定接受死亡，死前希望東尼不要浪費生命。

東尼衝出洞穴用噴火器燒燬整座基地後利用噴射裝置飛離，最後因戰甲電量耗盡墜毀在沙漠中，所幸被巡邏美軍救起。東尼回國後直接召開新聞發佈會，宣佈他會徹底將公司改頭換面，他的秘書小辣椒‧波茲、羅德與史塔克工業副總裁奧比戴亞‧史坦看到他煥然一新後十分震驚；而一名來自政府部門神盾局的探員菲爾‧考森找上小辣椒打算知道東尼失蹤時的細節。東尼絲毫沒有被外界的質疑影響，藉由小辣椒的幫助更換一個全新的反應爐心臟，也開始著手建造新型的戰甲。東尼在自己宅邸的地下工作室工作幾天幾夜，做出一套整合型的實驗二代戰甲。與此同時，倖存的拉紮在沙漠中找回東尼的戰甲碎片，用洞穴裡留下的設計圖將戰甲再度拼湊起來，認為該科技如大量生產足以稱霸世界。

東尼出席迪士尼音樂廳的宴會，曾與東尼有過一夜情的女記者克莉絲汀‧埃佛哈特給東尼看一系列伊沈的老家古米拉小鎮受十環幫襲擊的照片。東尼發現是奧比戴爾將武器賣給敵軍後，為了制止自己的武器繼續肆虐那裡，於是穿上上色過的三代戰甲飛到小鎮，摧毀十環幫的勢力並拯救所有村民。但東尼回去途中被阿富汗美軍基地探測到，美軍為以防萬一而派遣兩架F-22戰機進行攔截，東尼在意外毀掉一架戰機後得以逃脫。而懸賞東尼性命的幕後黑手奧比戴爾來到十環幫營地，奪走原始戰甲與設計圖後屠殺在場所有人，聯絡手下根據設計圖馬上造一個原型。而小辣椒在東尼要求下來到奧比戴爾的電腦前偷盜資料時，卻剛好發現奧比戴爾的戰甲資料，也發現奧比戴爾買兇殺東尼的錄影證據。

小辣椒將所有證據交付給考森後，奧比戴爾為了得到戰甲的供能源而伏擊在家的東尼，奪走他身上的反應爐心臟。奄奄一息的東尼跑回地下室，將自己的原始反應爐心臟換回去。羅德趕到他家中後，按照東尼的指示回去基地，避免軍方戰鬥機前來干擾。與此同時，小辣椒隨著考森去逮捕奧比戴爾時，奧比戴爾駕駛著他研製的大型戰甲「鐵霸王」（Iron Monger）衝出去。東尼到達後使出渾身解數與奧比戴爾對打，但因受制原始反應爐心臟出力不斷衰退而處於下風，兩人最後打到工業發電反應爐工廠的屋頂，東尼暗中讓小辣椒釋放大型反應爐裡的能量。反應爐的電量破表，而站在屋頂的奧比戴爾被高壓電重創後，跟著自己的戰甲一同掉進反應爐中炸成灰燼。

東尼獲救後得知媒體已經將身穿戰甲的他取名「鋼鐵人」之稱號，並與小辣椒一同感謝考森的協助。接著他來到新聞發佈會上本想利用軍事演習為理由掩蓋實情，但最後在演講時選擇放下手中的演講稿，向眾人公開他的鋼鐵人身份。在片尾片段中，神盾局局長尼克‧福瑞來到東尼家中，告訴東尼他並不是世界上唯一的「超級英雄」，打算與他討論一個《復仇者聯盟方案》。