斯塔克军火公司是美军在全球范围内第一大军火供应商,其新任掌门人托尼o斯塔克(小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰)风流倜傥,天资聪颖。他与公司元老俄巴迪亚o斯坦(杰夫·布里吉斯 Jeff Bridges 饰)合作无间,共同将斯塔克公司的业务推向顶峰。现 实生活中的托尼热衷收集名贵跑车,搞点儿发明创造,当然露水姻缘更不可少。所幸他身边有维吉尼亚o波茨(格温妮斯·帕特洛 Gwyneth Paltrow 饰)这样的好助手细心打理一切,才让他能自由自在过着贵公子的生活。
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)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 Sam Rockwell 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 Don Cheadle 饰)的反目,眼看局势就要失控……
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)在家中遭到猛烈的炮火袭击,几乎丧命,而这一切似乎都与22年前那名偶然邂逅的科学家阿尔德里奇·基连(盖·皮尔斯 Guy Pearce 饰)及其终极生物的研究有关。