Beberapa waktu setelah peristiwa The Avengers, yang angker Tony Stark telah obsesif dibangun beberapa pakaian Iron Man di rumah besarnya. Hal ini menyebabkan gesekan dengan pacarnya, baru Stark Industries kepala Pepper Potts. Dalam kilas balik ke Tahun Baru 1999, Tony, dengan ilmuwan nya kekasih Maya Hansen, arogan menghindari ilmuwan lumpuh Aldrich Killian, yang ingin dukungan Tony dalam upayanya Lanjutan Idea Mechanics (AIM).

Di masa kini Amerika, serangkaian pemboman oleh teroris Mandarin telah meninggalkan badan intelijen bingung pada kurangnya bukti forensik. Ketika Stark Industries kepala keamanan Hogan Happy tertangkap dalam satu serangan tersebut, Stark mengatasi pingsan dan isu ancaman televisi kepada para Mandarin, yang merespon dengan menghancurkan rumah Tony dengan helikopter tempur. Merica dan Maya, yang datang untuk memperingatkan Tony, bertahan serangan. Tony kemudian menemukan dirinya di pedesaan Tennessee setelah ia kecerdasan buatan JARVIS mengikuti rencana penerbangan dari penyidikan Tony ke Mandarin. Armor eksperimental Tony tidak memiliki kekuatan yang cukup untuk kembali ke California, dan dunia percaya dia mati.

Bekerja sama dengan Harley, seorang bocah 10 tahun dewasa sebelum waktunya, Tony menyelidiki sisa-sisa ledakan lokal bantalan keunggulan dari serangan Mandarin. Ia menemukan ledakan itu dipicu oleh tentara dari program Extremis, pengobatan eksperimental dimaksudkan untuk memungkinkan penggunanya untuk pulih dari cedera melumpuhkan. Namun, jika tubuh pengguna tidak dapat benar memetabolisme Extremis, pengguna memanas dan meledak. Setelah veteran mulai tumbuh stabil dan meledak, kematian mereka digunakan untuk menutupi kekurangan Extremis 'dengan memproduksi plot teroris. Tony saksi extremis langsung ketika Mandarin agen Ellen Brandt dan Eric Savin menyerangnya.

Dengan bantuan Harley, Tony menelusuri Mandarin ke Miami. Infiltrat Stark markas menggunakan berbagai senjata rakitan. Di dalam ia menemukan Mandarin sebenarnya adalah aktor Inggris bernama Trevor Slattery, yang menyadari bertindak Mandarin telah dilakukan. The Mandarin adalah ciptaan Killian, yang disesuaikan penelitian Extremis Maya sebagai obat untuk cacat sendiri dan memperluas program untuk memasukkan veteran perang yang terluka. Killian mengungkapkan dia adalah Mandarin yang benar dan telah menculik Lada dan dikenakan ke Extremis, berniat untuk menanamkan dia dengan kemampuan super dan mengubah dirinya melawan Tony sebagai leverage untuk mendapatkan bantuan Tony dalam memperbaiki kelemahan Extremis itu.

Killian juga telah dimanipulasi badan-badan intelijen Amerika mengenai lokasi Mandarin, memikat James Rhodes - mantan War Machine, sekarang namanya menjadi Patriot Besi - ke dalam perangkap untuk mencuri baju besi. Tony lolos nya penangkaran dan reuni dengan James, menemukan bahwa Killian bermaksud untuk menyerang Presiden Ellis pesawat Air Force One. Jauh mengendalikan nya baju Iron Man, Tony menyimpan penumpang yang selamat dan awak tapi tidak bisa berhenti Killian dari menculik Ellis. Mereka melacak Killian ke platform pengeboran minyak disita mana Killian bermaksud untuk membunuh Ellis di televisi hidup. Wakil Presiden akan menjadi pemimpin boneka, mengikuti perintah Killian dengan imbalan Extremis untuk menyembuhkan cacat seorang gadis kecil.

Pada platform, Tony pergi untuk menyelamatkan Lada, dan James menghemat Presiden. Tony memanggil masing-masing nya Iron Man jas, dikendalikan jarak jauh oleh Jarvis, untuk memberikan dukungan udara. James mengamankan Presiden dan membawa dia ke tempat yang aman, sementara Tony menemukan Lada telah bertahan prosedur Extremis. Namun, sebelum dia bisa menyelamatkannya, rig runtuh di sekitar mereka dan dia jatuh ke kematian jelas nya. Tony dipaksa menghadapi Killian dan perangkap dia dalam baju Iron Man bahwa self-destruct, tapi gagal untuk membunuhnya. Lada, yang Extremis kekuatan memungkinkannya untuk bertahan hidup dia jatuh, campur tangan dan selesai Killian sekali dan untuk semua.

Setelah pertempuran, Tony Jarvis perintah untuk menghancurkan setiap Man setelan Iron jarak jauh, sebagai tanda niatnya untuk mencurahkan lebih banyak waktu untuk Pepper. Wakil Presiden dan Slattery ditangkap. Lada menjalani operasi untuk menghapus Extremis, dan Tony untuk menghapus pecahan peluru tertanam di dekat hatinya. Dia pitches reaktor busur dada usang nya ke laut, merenung ia akan selalu Iron Man, bahkan tanpa baju besinya.

Dalam sebuah adegan pasca-kredit, ia mengungkapkan bahwa Stark telah menceritakan pengalamannya kepada Dr Bruce Banner, yang terbangun, setelah jatuh tertidur di awal cerita Tony, diikuti oleh kata-kata "Iron Man akan kembali".