O filme começa com um flashback: em 1999, Tony está numa festa de réveillon na Suíça, quando é abordado por um jovem, que o convida para patrocinar um projeto. Tony manda o cara subir ao terraço e aguardar por ele, para falarem sobre o tal projeto, mas deixa o rapaz lá esperando e não sobe, pois fica no quarto com uma garota.
Aquele jovem, hoje é um cientista bem sucedido, que criou formas de manipular o cérebro, turbiná-lo. O cientista vai até a funcionária e namorada do Tony Stark, que rejeita seu projeto. Ao mesmo tempo, explosões acontecem pelo mundo, e um terrorista assume os ataques. Em um desses ataques, o segurança do Tony é ferido gravemente. Então Tony dá uma entrevista chamando os terroristas para lutar com ele, e dá o endereço de sua casa. Mais tarde, ele recebe uma visita daquela garota com quem passou a noite na Suíça há 12 anos. Ela diz que tem informações para repassar, mas nesse momento helicópteros do terrorista atacam a mansão que é completamente destruída, e despenca no mar. Com a armadura muito afetada, ele sai voando numa coordenada errada e vai parar muito longe de onde queria, e cai no meio do nada.
Tony sai carregando sua armadura pela rua, até encontrar um garotinho que o ajuda a dar uma recarga nela. Enquanto fica lá carregando, ele sai mesmo sem armadura e vai dar umas bandas pela cidade. Num bar, ele se depara com o pessoal do terrorista. Esse pessoal recebeu antídotos que os transformou em guerreiros de fogo, capazes de cuspir chamas, regenerar órgãos e até mesmo explodir como uma bomba. Depois de lutar contra os "agentes" do inimigo e contar com uma ajuda do garoto, ele consegue pegar um carro e se mandar em direção á localização do terrorista. O terrorista por sua vez, consegue entrar ao vivo em todos os canais dos EUA, e faz uma transmissão, onde atira na cabeça de um homem.
O cientista captura a namorada do Tony Stark e a aprisiona. Enquanto isso o soldado que usava uma armadura igual ao do Homem de Ferro, chamado Patriota de Ferro, é atacado e tem sua armadura levada. Tony invade o local onde o terrorista está e chega até ele. Para sua surpresa, aquele terrorista nada mais é do que um ator, contratado pelo cientista para apavorar o mundo e levar a culpa, enquanto ele pode agir com suas descobertas na surdina. Tony Stark é capturado, mas consegue se soltar quando sua armadura vai voando até ele. O Patriota de Ferro chega para entrar no avião do presidente dos EUA, e embarca, se passando pelo soldado, que estava aprisionado pela galera do cientista. O presidente é capturado e levado.
O cientista pendura o presidente no alto de guindastes, num porto, vestindo a armadura do Patriota de Ferro. Tony invoca todos os Homens de Ferro que ele construiu e que podem ser controlados pelos mecanismos de comando pela mente, e por seu robô jarbas. Os Homens de Ferro destroem todos os inimigos, ficando apenas o cientista. Ele joga a namorada do Tony, que não consegue salvá-la, deixando-a cair de muito alto, dentro do fogo. Os dois começam a lutar, e Tony alterna, lutando com e sem armadura, se esquivando do poderoso calor que o inimigo gera com o corpo. Quando pensava ter finalizado o cientista, o maluco aparece com o corpo regenerado de novo, mas é atingido pela namorada do Tony. O cientista havia injetado nela a substância que mutou seu corpo também, e agora o fogo não a mata mais. Ela destrói o inimigo e o casal se abraça, enquanto Tony promete um recomeço, e ativa um protocolo onde todas as armaduras do Homem de Ferro explodem. O menino que o ajudou recebe robôs, máquinas e computadores. Por fim, Tony passa por uma cirurgia onde os fragmentos que ele carrega no peito desde o primeiro filme, são retirados, enquanto seu amigo segurança se recupera no hospital. Tony Stark joga no mar aquela peça que mantinha os fragmentos longe de seu coração e sai dirigindo, carregando os destroços de jarbas numa carretinha. ##### Recomendadíssimo.