鋼鐵俠托尼·斯塔克（小羅伯特·唐尼飾）在國會聽證會上拒絕交出最新技術，同時發現胸口微型電弧反應爐導致血液鈀金屬中毒。他將斯塔克公司總裁職務交予秘書波茲（格溫妮絲·帕特羅飾）以籌備紐約斯塔克博覽會，并在波茲安排下接受助理娜塔莉（斯嘉麗·約翰遜飾）的照顧。托尼高調亮相媒體引發伊凡（米基·洛克飾）不滿，后者繼承其父遺志研發出對抗鋼鐵戰衣的裝備。軍火商賈斯丁·漢默（山姆·洛克威爾飾）為取代鋼鐵俠設法劫持伊凡合作研究。鈀中毒加劇的托尼陷入低谷，意外發現娜塔莉真實身份是神盾局特工，并因任性導致與好友羅德上校（唐·錢德爾飾）決裂。最終托尼在博覽會現場利用新發現元素改造反應堆，以升級戰衣擊敗伊凡并化解危機，同時修復了與羅德的友誼。