亿万富翁托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 饰）是斯塔克工业的董事长，在前往中东展示新型武器的途中被恐怖分子绑架。在囚禁期间，托尼制造了一套高科技动力装甲逃脱。回到美国后，托尼改进了装甲设计，成为超级英雄钢铁侠，开始对抗威胁世界的邪恶势力。
影片高潮：托尼在记者会上公开宣布"I am Iron Man"，成为漫威电影宇宙的标志性时刻。
托尼·斯塔克公开钢铁侠身份后面临政府压力，要求交出技术。同时，他发现自己胸口的微型方舟反应炉正在毒害身体。俄罗斯科学家伊凡·万科利用相似技术制造武器报复斯塔克家族，托尼必须在应对政府压力的同时对抗新敌人。
纽约大战后，托尼·斯塔克患上了焦虑症，不断研发新战甲。恐怖分子"满大人"发动全球袭击，托尼的住宅被毁。失去战甲的托尼必须依靠智慧和小男孩哈利的帮助，揭开满大人背后的真相，对抗基因改造战士基里安博士。