História completa
Na Rússia, Ivan Vanko vê o pai, Anton, morrer na miséria. Anton tinha trabalhado com Howard Stark e foi deportado. Ivan pega as plantas antigas e constrói o próprio reator arc, com um plano de vingança contra a família Stark.
Seis meses depois de se revelar como Homem de Ferro, Tony Stark está no auge. Reabre a Stark Expo em Nova York e, numa audiência no Senado, recusa entregar a armadura ao governo, humilhando o senador Stern e o rival Justin Hammer. Mas há um segredo: o paládio que alimenta o reator no seu peito está envenenando seu sangue, e nenhum substituto funciona. Achando que vai morrer, Tony passa a viver no limite. Nomeia Pepper Potts presidente da empresa e contrata uma nova assistente, Natalie Rushman.
No Grande Prêmio de Mônaco, Tony resolve pilotar o próprio carro. Vanko invade a pista com chicotes elétricos e corta carros ao meio. Pepper e Happy Hogan levam a armadura-maleta até Tony, que vence a luta. Vanko vai preso, mas o recado está dado: a tecnologia Stark pode ser copiada. Hammer forja a morte de Vanko, tira o russo da prisão e o contrata para criar armaduras para os militares.
No aniversário de Tony, ele bebe demais e faz bagunça com a armadura. Rhodes veste outro modelo para pará-lo, e os dois destroem a casa na briga. Depois, Rhodes leva aquela armadura para a Força Aérea, que a entrega a Hammer. Nick Fury aparece com uma bronca e uma revelação: Natalie é a agente Natasha Romanoff, da S.H.I.E.L.D. Fury entrega a Tony uma caixa com materiais de Howard. Numa velha filmagem, o pai diz que Tony foi sua maior criação, e a maquete da Expo de 1974 esconde o desenho de um elemento novo. Tony o sintetiza e se cura.
Na abertura da Expo, Hammer exibe drones militares e Rhodes com a armadura cheia de armas, agora chamada Máquina de Combate. Vanko assume o controle de tudo e manda atacar Tony. Natasha e Happy invadem a fábrica de Hammer, e ela devolve a Rhodes o controle da armadura. Os dois amigos lutam lado a lado contra Vanko, que aparece com uma armadura pesada. Derrotado, ele explode a si mesmo e aos drones, e Tony salva Pepper no último segundo. Os dois se beijam. Hammer é preso. Fury diz que Tony vai ser só consultor dos Vingadores. Depois dos créditos, o agente Coulson encontra um martelo enorme no Novo México.