钢铁侠托尼·史塔克(小罗伯特·唐尼 饰)在国会听证会上拒绝交出最新科技,同时他发现自己胸口的微型电弧反应堆正在用钯金属迅速毒害血液。心灰意冷的托尼将史塔克公司总裁一职移交给秘书波兹(格温妮丝·帕特洛 饰),由她全权负责正在进行的纽约史塔克博览会。波兹从法律部调来助理娜塔莉(斯嘉丽·约翰逊 饰)照顾托尼。托尼在媒体面前高调亮相,引发了父亲同事儿子伊万(米基·洛克 饰)的不满。为了实施报复,他继承了父亲的事业,研制出一套堪比钢铁战衣的装备。伊万的技术引起了托尼的对手、军火商贾斯汀·汉默(山姆·洛克威尔 饰)的注意,他设法将伊万从监狱劫持,秘密研究以取代钢铁侠。就在托尼因钯金属中毒而遭受损失之时……