東尼‧史塔克在公開他就是一夜英雄「鋼鐵人」本尊之後名聲扶搖直上，不但選上麻省理工學院董事會幹部，儼然成為美國乃至於世界和平的保衛者。他繼承父親霍華‧史塔克在1974年時在紐約法拉盛所舉辦的「史塔克博覽會」（Stark Expo），也決定在原址舉辦2010年的博覽會來完成父親的心願，也順便滿足他想出風頭的慾望。但在光鮮的表面之下，東尼其實正苦於胸口的微型電弧反應爐所使用的金屬鈀，逐漸混入血液中所造成的「重金屬中毒」正漸漸侵入自己的身體，也陷入和美國軍方參議員—史丹對於盔甲歸屬權的爭議中。

在1970年被霍華‧史塔克因為理念不合而被逐回蘇聯的核物理學家安東‧萬科，在他於俄羅斯的住所去世，他同樣身為核物理學家的兒子伊凡‧萬科，決定將父親留下的微型電弧反應爐圖稿實際製作出，當作武器能量來源對東尼進行報復。萬科在完成反應爐與盔甲的製作，立刻前往摩納哥蒙地卡羅舉行的歷史方程式賽車活動會場，在賽道上襲擊了駕駛古董賽車出賽的東尼。雖然在司機兼保鏢快樂與秘書小辣椒的協助之下，東尼在千鈞一髮的關頭拿到手提式五代戰甲而成功擊退了萬科，但萬科在被逮捕時對東尼大喊「你輸了！」

萬科被法國警方逮捕後，東尼的生意競爭對手—漢克默先進工業總裁賈斯汀‧漢克默協助萬科假造死亡並越獄，幫漢默造出倣傚東尼盔甲所製造出的機械步兵服。由於嘗試過各種可能的元素組合卻都無法取代鈀金屬，東尼認為自己活不長而行事變得荒唐，將公司的經營權交給小辣椒主持，並指派法務部門的新助理娜塔莉‧拉什曼接替總裁助理職缺。東尼於加州馬利布的自宅舉辦的生日派對中，穿著戰甲亮相卻酒醉失態。在小辣椒的勸阻失敗之下，羅德身穿地下室中未上色的二代戰甲想要制止東尼，卻導致一場嚴重的打鬥。打鬥造成宅邸發生爆炸，羅德決定放棄維護東尼，將戰甲帶往愛德華空軍基地。軍方上層指派漢克默將戰甲進行改造，加裝多樣攻擊性武器，將戰甲更名為「戰爭機器」。

酒後清醒的東尼遇到神盾局局長尼克‧福瑞來訪，並發現他的新助手娜塔莉，其實是神盾局安插在他身邊的臥底特工娜塔莎‧羅曼諾夫。福瑞在告知東尼他的父親霍華其實是神盾局創始成員之一的往事之後，留下一箱霍華的遺物，並將他軟禁在自宅之內逕行離開。東尼在檢視父親遺留下的文件與影片之後發現父親留給他的一些暗示，回到公司取回父親在提及過的1974年史塔克博覽會的地景模型。東尼檢驗模型最終發現父親於其中隱藏一個並不存在於自然界中的全新元素，他在人工智慧「賈維斯」和曾經協助過自己的神盾局特工菲爾‧考森的協助之下，在自家車庫中自行製造一具粒子加速器，並利用它合成出理論中提到的新元素，而取代鈀金屬成為嶄新三角形微型反應器的能量來源。

萬科安排好一切準備後致電東尼，稱他已採納東尼的戰甲轉速增倍定理，會在當晚會報復完霍華對萬科家族的作為。東尼推斷萬科的真正目的是掌控漢克默的機械士兵去襲擊父親一手創辦的博覽會，別無選擇下安裝上他的全新反應爐，此過程讓他痊癒所有病症。在博覽會的現場，漢克默野心勃勃地展示陸海空三軍型號的機械士兵，並由羅德駕駛的戰爭機器所率領。身換全新六代戰甲的東尼來到舞台上，開始逼問漢克默關於萬科的事情。這時，萬科修改戰爭機器與其他機械士兵的程序，開始大肆破壞博覽會現場並追趕東尼，東尼試圖在不傷害到無辜民眾的狀況下將敵人引開會場。娜塔莎向漢克默問出萬科藏匿在漢克默工業裡，與快樂一同駕車趕赴工業大樓，打敗所有保安後發現萬科早已逃之夭夭。娜塔莎解除戰爭機器的遙控鎖定，將其控制權還給羅德。

東尼和羅德靠雙者合作擊毀其他機械士兵，而萬科身穿他的獨立戰甲來到博覽會會場，他的雙鞭與強大防禦力讓兩人陷入苦戰。東尼利用與羅德合作再度製造能量束爆走的方式擊倒萬科，不甘心的萬科啓動他與所有機械士兵身上裝設的自爆裝置，東尼與羅德成功逃離爆炸現場，萬科伴隨著所有機械士兵粉身碎骨。東尼一同救出差點被機械士兵自爆波及的小辣椒，兩人深吻後才盡釋所有前嫌，跟萬科合作的漢克默也被警方逮捕。後來，福瑞和娜塔莎共同為東尼寫這次的評估，推薦他成為他們的一份子，而東尼與羅德因為表現出色而獲得被史丹參議員親自頒發的獎章。這段期間，考森一人到達新墨西哥州的沙漠地區，注意到一個群眾圍繞的隕石坑中有一把鎚子，便立刻告知福瑞說物體已找到。