托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰）面临一个严峻的挑战：他拒绝将一项前沿科技交给国会听证。与此同时，他的胸口微型电弧反应炉正在迅速消耗血液中的钯金属，导致他遭受严重的中毒。
面对这突如其来的危机，托尼不得不暂时离开公司，将总裁职务交由秘书波兹（格温妮丝·帕特罗 Gwyneth Paltrow 饰）全权负责。为了应对纽约斯塔克博览会的事务，波兹从法律部门调来助理娜塔莉（斯佳丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰），帮助托尼处理日常事务。
然而，托尼在媒体前的高调亮相引起了伊凡（米基·洛克 Mickey Rooney 饰）的不满。伊凡曾是托尼父亲的同事，一直对托尼的成功感到嫉妒。为了报复托尼，伊凡决定子承父业，研制出了一套与钢铁战衣相媲美的装备。这引起了托尼的竞争对手贾斯丁·汉默（山姆·洛克威尔 Sam Rockwell 饰）的注意。汉默试图将伊凡劫持出狱，秘密研究取代托尼的钢铁战衣。
就在托尼苦于钯金属中毒造成的失意之时，他发现娜塔莉原来身负秘密使命，而自己的任性也导致了与好友、空军上校罗尼（唐·钱德尔 Don Cheadle 饰）的反目。眼看局势即将失控，托尼必须重新审视自己的行为，并找到一种方法来挽救自己和他所珍视的一切。
