斯塔克軍火公司是美軍全球第一大軍火供應商，新任掌門人托尼·斯塔克（小羅伯特·唐尼飾）天資聰穎卻放浪形骸，與公司元老俄巴迪亞·斯坦（杰夫·布里吉斯飾）共同將業務推向頂峰。維吉尼亞·波茨（格溫妮斯·帕特洛飾）作為其得力助手，維系著托尼縱情享樂的貴公子生活。在前往中東向軍方展示新型武器途中，托尼遭恐怖分子襲擊重傷，體內被植入由英森博士研發的核動力人工心臟。被困期間他與英森假意配合制造武器，實則研發出聚變能源驅動的鋼鐵盔甲。托尼著裝甲突圍成功返美后，對裝備持續改進升級的過程中逐漸察覺俄巴迪亞與恐怖組織存在隱秘關聯。真相揭露后，托尼必須駕駛最終版鋼鐵俠戰甲迎戰竊取技術并殺害英森的俄巴迪亞，以高科技裝甲與人性覺醒完成對昔日合作伙伴的終極對抗。