自紐約事件以來，托尼·斯塔克（小羅伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 飾）為前所未有的焦慮癥所困擾。他瘋狂投入鋼鐵俠升級版的研發，為此廢寢忘食，甚至忽略了女友佩珀·波茨（格溫妮斯·帕特洛 Gwyneth Paltrow 飾）的感受。與此同時，臭名昭著的恐怖頭目曼達林（本·金斯利 Ben Kingsley 飾）制造了一連串的爆炸襲擊事件，托尼當年最忠誠的保鏢即在最近的一次襲擊中身負重傷。未過多久，托尼、佩珀以及曾與他有過一面之緣的女植物學家瑪雅（麗貝卡·豪爾 Rebecca Hall 飾）在家中遭到猛烈的炮火襲擊，幾乎喪命，而這一切似乎都與22年前那名偶然邂逅的科學家阿爾德裏奇·基連（蓋·皮爾斯 Guy Pearce 飾）及其終極生物的研究有關。
即使有精密先進的鎧甲護身，也無法排遣發自心底的焦慮。被擊碎一切的托尼，如何穿越來自地獄的熊熊烈火……