Historia completa
La película empieza en el paso de 1999 a 2000, en Suiza. Tony Stark pasa la noche con la científica Maya Hansen, creadora de Extremis, un tratamiento que regenera el cuerpo. En la misma fiesta desprecia a Aldrich Killian, un científico con discapacidad que quiere invitarlo a su empresa, A.I.M. Tony lo deja esperando en una azotea. Ese desdén se va a cobrar.
Trece años después, Tony no superó la batalla de Nueva York. Tiene ataques de ansiedad, no duerme y pasa las noches construyendo armaduras, más de 40. La relación con Pepper Potts sufre. Al mismo tiempo, un terrorista llamado el Mandarín se adjudica una serie de explosiones en el país. Happy Hogan sigue a un secuaz de Killian hasta el Teatro Chino y queda gravemente herido en una de esas explosiones. Furioso, Tony amenaza al Mandarín por televisión y da la dirección de su casa.
La respuesta llega con helicópteros que destruyen la mansión de Malibú. Pepper y Maya escapan. A Tony lo salva J.A.R.V.I.S., que lo lleva en una armadura nueva hasta el interior de Tennessee, donde se acaba la batería. Dado por muerto, investiga una vieja explosión con ayuda del niño Harley Keener. Descubre que nunca hubo bomba: los soldados tratados con Extremis explotan cuando el cuerpo rechaza el tratamiento. A.I.M. culpa al Mandarín para ocultar las fallas. Sin armadura lista, Tony pelea contra dos soldados con Extremis usando lo que tiene a mano.
En Miami entra a la base del Mandarín y encuentra a Trevor Slattery, un actor británico que solo interpreta al terrorista en los videos. El villano de verdad es Killian, que admite haber creado al Mandarín. Maya cambia de bando y él la mata. Killian secuestró a Pepper, le aplicó Extremis y quiere que Tony corrija el tratamiento. Mientras tanto, el coronel James Rhodes pierde su armadura, ahora pintada como Iron Patriot, a manos del secuaz Eric Savin, que la usa para secuestrar al presidente Ellis en el Air Force One.
Tony escapa y, junto a Rhodes, va a un puerto donde Killian prepara la ejecución del presidente en vivo. Tony llama a todas sus armaduras, que llegan volando controladas por J.A.R.V.I.S. Rhodes salva al presidente y Tony intenta salvar a Pepper, pero parece perderla en una caída. Ella sobrevive gracias al Extremis y mata a Killian. El vicepresidente, que era parte del plan, va preso, y Slattery también. Happy despierta del coma. Tony hace explotar todas las armaduras como regalo para Pepper, se opera para sacarse la metralla y tira el reactor al mar. Cierra diciendo que, con o sin armadura, sigue siendo Iron Man. Tras los créditos, vemos que le contaba todo esto a Bruce Banner, que se quedó dormido.