הביליונר ממציא גיבור-על האהוב בעולם, טוני סטארק (רוברט דאוני ג'וניור), הידוע בכינויו "איירון מן". כשסטארק/ איירון, הגאון התעשייתי שעסוק בשדרוג חליפות הקרב והריחוף שפיתח, מגלה שהעולם הבטוח שבנה מאוים על-ידי טרוריסט העונה לשם מנדרין (בן קינגסלי), הוא יוצא למאבק נגדו. אבל מתברר שמי שעומד מאחורי המזימה הוא אולדריך קיליאן (גאי פירס), טייקון ממולח, ממציא ומדען בזכות עצמו, עם שגעון גדלות ורצון להשתלט על העולם, המנסה להגיע לסטארק באמצעות חטיפת אשתו, פפר פוטס (גווינת פלטרו).

סטארק הנדחק לפינה יצטרך לצאת להתמודדות קשה נגד יריבו. הוא ימצא עצמו במצב נואש וייאלץ להישען על כוחותיו, כושר ההמצאה והאינסטינקטים שלו, ובו בזמן להגן על הקרובים אליו ביותר, שקיליאן ינסה לחסלם.