Após confessar ao mundo ser o Homem de Ferro, Tony Stark (Robert Downey Jr.) passa a ser alvo em duas frentes. Em uma, o governo dos Estados Unidos quer que ele entregue seu poderoso traje. O principal aliado do governo para obter sucesso é seu principal concorrente (ou melhor nem pensar assim porque ele desiste da venda de armas no primeiro filme, deixando todo o mercado para ele, chamado Justin Hammer). Na outra frente, temos Ivan Vanko (Mickey Rourke), filho de cientista russo que havia trabalhado com o pai de Tony no desenvolvimento do reator Arc. Ele cria o alter-ego de Whiplash para se vingar dos atos da família Stark no passado. Tony também se encontra com um grande problema. Ele está morrendo graças a sua fonte de energia. Tal fonte envenena aos poucos o seu corpo, fazendo com que Tony fique cada dia mais louco. Tony, logo no início do filme afirma ao governo que é impossível algum país conseguir fazer um traje parecido com o dele em 5 anos no mínimo. Para sua surpresa, Whiplash o faz e após ser preso, é capturado por Hammer em troca do desenvolvimento de máquinas parecidas com a que ele havia criado. Como Hammer tem acesso ao governo, os convence que Jim Rhodes, amigo do Tony, tome a armadura a força. Ele pega a armadura secundária e leva ao controle do governo e Hammer. Se vendo perdido, ele acaba contando com uma ajuda não imaginada. O apoio de sua nova assistente, Natasha Romanoff (Scarlett Johansson), e de Nick Fury (Samuel L. Jackson), o diretor da S.H.I.E.L.D. que mostra um material a Tony enviado por seu pai. Em tal material, o pai deixa subentendido que ele havia criado um novo elemento químico, mas com a tecnologia da época, não conseguiria gerar. Tony gera este novo elemento químico, consegue se salvar do envenenamento e vai atrás das máquinas criadas por Hammer, que, por ter um sistema de proteção de rede muito idiota, era controlado por Whiplash. Após isso, Tony recebe uma ligação de Whiplash dizendo que iria acabar com a feira de Tony. Tal feira era o sonho do pai de Tony e seu intuito era mostrar novas tecnologias para a paz no futuro. Na mesma hora, Hammer iria demonstrar as novas armas dos EUA (várias armaduras do HDF controladas pela armadura de Jim). Whiplash acaba programando as máquinas para destruírem o HDF que acaba destruindo todas. Whiplash vai ao encontro do HDF, ele acaba sendo morto e Tony salva todos.
No fim, sabemos que Tony só participará dos Vingadores como consultor, pois não foi aceito pela S.H.I.E.L.D.
