鋼鐵俠託尼·斯塔克（小羅伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 飾）在國會聽證上拒絕交出最新技術。與此同時，他發現胸口的微型電弧反應爐正迅速造成血液的鈀金屬中毒。沮喪的託尼將斯塔克公司的總裁職務交予了秘書波茲（格溫妮絲·帕特羅 Gwyneth Paltrow 飾），由她全權負責正在進行的紐約斯塔克博覽會。波茲從法律部門調來助理娜塔莉（斯佳麗·約翰遜 Scarlett Johansson 飾）照顧託尼。託尼在媒體前的高調亮相引起了其父當年同事的兒子，伊凡（米基·洛克 Mickey Rourke 飾）的不滿。為了實施報復，他子承父業，研製出了一套可與鋼鐵戰衣相媲美的裝備。伊凡的技術引起了託尼的競爭對手，軍火商賈斯丁·漢默（山姆·洛克威爾 Sam Rockwell 飾）的注意，他設法將伊凡劫持出獄，秘密研究取代鋼鐵俠。正當託尼苦於鈀金屬中毒造成的失意之時，他發現娜塔莉原來身負秘密使命，而自己的任性，也造成了與好友，空軍上校羅尼（唐·錢德爾 Don Cheadle 飾）的反目，眼看局勢就要失控……
