钢铁侠托尼·斯塔克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兹，由她全权负责正在进行的纽约斯塔克博览会。波兹从法律部门调来助理娜塔莉照顾托尼。
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，空军上校罗尼的反目，眼看局势就要失控,罗德抢走了一套战衣与其大战。最终托尼被逼走，降落在一个巨大的麦圈模型上，而罗德回到了爱德华空军基地。
罗德中校受将军之令，将铁甲战衣送给汉默参展，满足博览会参观者需要。汉默送给罗德一大批火力超强的武器作为回报。汉默有了铁甲战衣之后，得意地去伊凡面前炫耀已经拥有了改良版的史氏科技，伊凡的钢铁战士只能做博览会的布景道具，同时大骂伊凡是欺世盗名的骗子。伊凡不理睬汉默的指责，依然我行我素。他要报复托尼父亲40年前对伊凡父亲做的事，警告托尼多留意曼哈顿。
博览会上，汉默趾高气扬地介绍了陆海空钢铁战士，特别介绍了原型是罗德的钢铁中校，而此时，被伊凡控制的钢铁战士发起进攻，参观者纷纷逃难。汉默顿时傻了眼，自己苦心经营的家底竟然被伊凡利用，而且造成民众伤亡，最后汉默被纽约警察逮捕。伊凡指责报案的波兹是在公报私仇、借机铲除竞争对手，自己一定会把败局板回来的。
托尼和罗德两人开始并肩作战，携手对抗邪恶势力。大部分机器人被两人消灭，最后从天而降的这个机器人可非同一般，原来是伊凡，狞笑着表示自己回来的感觉真好。伊凡火力威猛，以一对二。
一番苦战，伊凡最终被打倒在地，奄奄一息的伊凡却嘲笑托尼败局已定。托尼疑惑，突然看到很多倒下的敌方钢铁战士胸前装置一闪一闪，顿时意识到这是钢铁战士启动了自爆装置，他蓦然想起波兹可能有危险，立即开足马力飞弛而去，将波兹惊险救出的一瞬间，他们身后响起巨大爆炸，火光冲天而起，两人死里逃生、降落在一处楼顶温情相拥。托尼和罗德的英勇表现受到政府颁发的勋章，托尼被称赞为国宝。