劇情綱要
東尼·史塔克(Tony Stark,小勞勃·道尼飾)在公開了自己就是鋼鐵人本尊之後,名聲扶搖直上,儼然成為美國乃至於世界和平的保衛者。他承繼父親霍華·史塔克(Howard Stark,約翰·史萊特瑞飾)在1974年時在紐約法拉盛所舉辦的史塔克博覽會(Stark Expo '74,是個影射1964年紐約世界博覽會(1964 New York World's Fair)的虛構活動),決定在原址舉辦2010史塔克博覽會,完成父親的心願也滿足自己想出風頭的慾望。但在光鮮的表面之下,史塔克其實正苦於胸口的微型電弧反應爐所使用的鈀金屬板逐漸混入血液中所造成的重金屬中毒,正漸漸侵入自己的身體。除此之外,史塔克也陷入和美國政府對於動力服歸屬權的爭議中,以國會參議員史登(Senator Stern,蓋瑞·桑得林飾)為首的一方認為作為一屆平民,史塔克不應將未受權的軍事武器(指鋼鐵人動力服)據為私有,但史塔克則以鋼鐵人就是他跟動力服的結合、無法分離的理由,再加上以當時的技術水平而言10至20年內也不會有人發展出類似技術的前提,拒絕將動力服的所有權交給美國政府。
而在同時,曾經在1970年代與霍華·史塔克合作過、但卻因為理念不合而被放逐回蘇聯,並從此抑鬱一生的前蘇聯核子物理學家安東·萬科(Anton Vanko,伊夫傑尼·拉札雷夫飾),在他位於俄羅斯的住所去世。同樣也是核子物理學家的兒子伊凡(Ivan Vanko,米基·洛克飾),在悲痛之餘決定將父親留下的微型電弧反應爐圖稿實際製作出,並且當作武器的能量來源,對史塔克進行報復。他在完成反應爐與動力服的製作之後,購買了假護照離開俄羅斯,並前往摩納哥,在蒙地卡羅舉行的歷史方程式賽車活動會場,襲擊駕駛古董賽車出賽的史塔克。雖然在司機兼保鏢的「快樂」霍根(Happy Hogan,強·法夫洛飾)與秘書「小辣椒」波茲(Pepper Potts,葛妮絲·派特洛飾)的協助之下,史塔克在千鈞一髮的關頭拿到手提式動力服,成功擊退對手,但萬科想要證明鋼鐵人並不是想像中那麼完美無敵的目的卻早已達成。
在摩納哥襲擊史塔克失手之後,萬科被法國警方逮捕,但卻在史塔克的生意對手、漢默先進(Hammer Advance)的總裁賈斯丁·漢默(Justin Hammer,山姆·洛克威飾)的秘密安排下,成功逃離拘禁的地點,前往漢默位於紐約皇后區的總部,協助漢默改造倣傚史塔克動力服所製造出的機械步兵服。而另一方面,正苦於鈀中毒之苦的史塔克,將公司的經營權與總裁的職位交給自己的秘書兼女友小辣椒波茲,並指派了法務部門的助理娜塔莉(Natalie Rushman,史嘉蕾·喬韓森飾)接替小辣椒升職之後留下的助理職缺。由於嘗試過各種可能的元素組合卻都無法取代鈀金屬,史塔克漸漸相信自己所剩時日不多,導致行事越來越荒唐。他在位於加州馬里布的自宅舉辦的生日派對中,穿著著鋼鐵人動力服亮相卻酒醉失態,在小辣椒的勸阻失敗之下,好友空軍上校羅德("Rhodey" Rhodes,唐·奇鐸飾)穿上存放在車庫中的馬克二號(Mark II)動力服想要制止史塔克的行為,卻導致成為一場嚴重的打鬥。打鬥中失控的能量束造成大爆炸,雖然只造成房屋的毀損,但心灰意冷的羅德決定放棄維護史塔克,將馬克二號動力服帶往愛德華空軍基地。在那裡,軍方上層指派漢默將動力服進行改造,裝上多樣原本不在設計中的攻擊性武器,馬克二號也正式更名代號為「戰爭機器」(War Machine)。
至於酒後失態導致與朋友反目的史塔克,則是遇到S.H.I.E.L.D.(神盾局)局長尼克·福瑞(Nick Fury,山繆·傑克森飾)來訪,並發現原來新任助手娜塔莉其實是S.H.I.E.L.D.安插在自己身邊的秘密探員、「黑寡婦」娜塔莎·羅曼諾夫("Black Widow" Natasha Romanoff)。福瑞局長在告知史塔克他的父親霍華其實是S.H.I.E.L.D.創始成員之一的往事之後,留下一箱霍華的遺物,並將他軟禁在自宅之內逕行離開。史塔克在檢視了父親遺留下的文件與影片之後,發現父親留給他的一些暗示,並且驅車前往史塔克工業的總部,取回父親在影片中提到過、1974年史塔克博覽會的地景模型。在檢視模型之後史塔克終於發現父親所隱藏的秘密,是一個並不存在於自然界中的全新元素,他在人工智慧電腦助手賈維斯(J.A.R.V.I.S.,由保羅·貝特尼配音演出)的協助之下,在自家車庫中自行製造了一具粒子加速器,並利用它合成出理論中提到的新元素,而取代鈀金屬成為嶄新三角形微型反應器的能量來源。
之後,在史塔克博覽會的現場,漢默野心勃勃的展示了萬科幫忙改造的機械士兵,與由羅德所駕駛、改裝了新式武裝的戰爭機器。原本在家中的史塔克突然接到一通不明來電,發現一度被認為死在法國的萬科其實還活著,並意識到萬科的目的其實是要破壞史塔克博覽會,一報前仇。在未完成測試的狀況下史塔克穿上改裝了新版動力源的鋼鐵人動力服,趕赴會場,在那裡史塔克與萬科利用遙控方式操控的機械士兵及戰爭機器展開激戰,試圖在不傷害到無辜民眾的狀況下將敵人引開會場。而在同時,黑寡婦娜塔莎找到漢默,問出萬科的藏匿地點就在漢默先進工業的總部,並與霍根一同駕車趕赴漢默的總部。雖然抵達時萬科早已逃逸,但娜塔莎仍然成功地解除了戰爭機器的遙控鎖定,將戰爭機器的控制權交還給在機身內的羅德上校。
在羅德的協助之下史塔克成功的擊毀追擊而來的機械士兵,並且與跟著來到博覽會會場、穿著新版鞭狂動力服的萬科陷入激戰。史塔克利用與羅德合作再度製造能量束爆走的方式,擊倒萬科,但卻沒料到萬科的目的其實是打算引爆自己與機械兵身上裝設的定時炸彈,與史塔克等人同歸於盡。在千鈞一髮之際史塔克與羅德成功逃離爆炸現場,史塔克也順利的救出差點被機械兵自爆波及的小辣椒,盡釋前嫌。
在片尾工作人員名單播放完之後的隱藏片段中,曾短暫出現在片中的S.H.I.E.L.D.寇森探員(Agent Coulson,克拉克·葛瑞格飾)來到新墨西哥州一個隕石坑現場,並致電福瑞局長「他們找到它了!」。隱藏片段末尾顯示疑似雷神索爾之鎚(Mjölnir)之物出現在隕石坑旁的畫面,暗示之後的續集劇情,可能與驚奇漫畫中的另一個角色、雷神索爾(Thor)有所關連。
此外,片中史塔克在進行粒子加速器的安裝時,曾經請寇森探員幫忙拿一個東西當作襯墊,使加速器可以維持完全的水平,而當時寇森探員拿的就是美國隊長所使用的盾牌。