钢铁侠托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼饰）在国会听证上拒绝交出最新技术与此同时，他发现胸口的微型电弧反应炉正迅速造成血液的钯金属中毒沮丧的托尼将斯塔克公司的总裁职务交予了秘书波茨（格温妮丝·帕特洛饰），由她全权负责正在进行的纽约斯塔克博览会。波茨从法律部门调来助理娜塔莉（斯嘉丽·约翰逊饰）照顾托尼。托尼在媒体前的高调亮相引起了其父当年同事的儿子伊凡（米基·洛克饰）的不满。为了实施报复，他子承父业，研制出了一套可与钢铁战衣相媲美的装备。伊凡的技术引起了托尼的竞争对手，军火商贾斯丁·汉默（山姆·洛克威尔饰）的注意，他设法将伊凡劫持出狱，秘密研究取代钢铁侠。正当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，而自己的任性也造成了与好友空军上校罗尼（唐·钱德尔饰）的反目，眼看局势就要失控……