Tony Stark, Iron Man olarak dünyayı korumaya devam etmektedir. Ancak, artan ünü ve Iron Man teknolojisinin gücü, Stark'ın düşmanlarının da dikkatini çekmektedir. Rus işadamı Ivan Vanko, babasının ölümünün intikamını almak için kendi Iron Man benzeri bir teknoloji geliştirir ve Stark'a meydan okur. Bu arada, Tony'nin sağlığı da tehlikededir. Arc reaktörünün bedenini zehirlediğini öğrenen Stark, kendi ölümünün yaklaştığını hissetmektedir. Bu durum, Stark'ı Iron Man zırhını geliştirmeye ve aynı zamanda yerine geçecek bir mirasçı aramaya iter. Stark, ABD Hükümeti ile de sorunlar yaşamaktadır. Iron Man teknolojisinin devlete ait olması gerektiğini savunan Senatör Stern, Stark'a karşı çıkmaktadır. Stark, bu baskılara rağmen Iron Man'in özgürlüğünü savunmaya devam eder. Filmin kilit karakterlerinden biri de Ivan Vanko'nun işbirlikçisi Justin Hammer'dır. Hammer, Vanko'nun teknolojisini kullanarak Iron Man'e karşı kendi ordusunu kurar. Ancak, Stark'ın dostları ve iş ortakları, onunla birlikte hareket ederek Vanko ve Hammer'ın planlarını durdurmak için bir araya gelirler. Rhodey, Iron Man'in müttefiki olarak War Machine kıyafetini giyer ve Stark'a yardım eder. Sonunda, Stark ve Rhodey, Vanko ve Hammer'ın ordularını yenmeyi başarır ve dünyayı bir kez daha tehlikelerden kurtarırlar. Stark, Arc reaktörünün tehlikelerini de aşacak bir çözüm bulur ve Iron Man olarak dünyayı korumaya devam eder.