钢铁侠托尼·斯塔克(小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 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兹(格温妮丝·帕特罗 Gwyneth Paltrow 饰),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(斯佳丽·约翰逊 Scarlett Johansson 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 Mickey Rourke 饰)
自纽约事件以来,托尼·斯塔克(小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰)为前所未有的焦虑症所困扰。他疯狂投入钢铁侠升级版的研发,为此废寝忘食,甚至忽略了女友佩珀·波茨(格温妮斯·帕特洛 Gwyneth Paltrow 饰)的感受。与此同时,臭名昭著的恐怖头目曼达林(本·金斯利 Ben Kingsley 饰)制造了一连串的爆炸袭击事件,托尼当年最忠诚的保镖即在最近的一次袭击中身负重伤。未过多久,托尼、佩珀以及曾与他有过一面之缘的女植物学家玛雅(丽贝卡·豪尔 Rebecca Hall 饰)在家中