自紐約事件以來，托尼·斯塔克（小羅伯特·唐尼飾）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·帕特洛飾）的感受。與此同時，臭名昭著的恐怖頭目曼達林（本·金斯利飾）制造了一連串爆炸襲擊事件，托尼當年最忠誠的保鏢即在最近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·豪爾飾）在家中遭到猛烈炮火襲擊，幾乎喪命。這一切均與22年前那名偶然邂逅的科學家阿爾德里奇·基連（蓋·皮爾斯飾）及其終極生物研究有關——后者實為"滿大人"組織的幕后掌控者，通過制造恐怖襲擊掩蓋其絕境戰士項目的非法實驗。托尼在裝甲損毀、孤立無援的困境中，憑借工程天賦與意志力突破極限，最終摧毀基連的生物武器計劃。經此劫難，托尼不僅戰勝了外部威脅，更直面內心恐懼，在佩珀協助下擺脫焦慮癥困擾。