世人知道億萬富翁企業家東尼史塔克（小勞勃道尼飾）就是鋼鐵人之後，他為了強調鋼鐵人對世界的貢獻，於是重新舉辦他父親數十年前舉辦過的史氏工業博覽會， 展示帶有人道主義的最先進科技產品。美國政府堅持要東尼史塔克將鋼鐵衣這項革命性的武器交給美國軍方的同時，一名來自史氏家族的過去的神秘人物伊凡萬科 （米基洛克飾），也企圖利用根據史氏工業研發的科技製造他自己的毀滅性武器。東尼史塔克不但陷入四面楚歌的困境，他也必須面對了自己的心魔，於是他終於向 他的新舊盟友求助，幫他抵抗企圖毀滅他個人以及全人類的致命威脅。