Nå som hele verden kjenner til at industrimagnaten Tony Stark (Robert Downey Jr.) er Iron Man, ønsker Tony å fremheve Iron Man draktens teknologiske fortrinn ved å relansere sin avdøde fars Stark Expo. Stark Expo er en utstilling for humanitære nyutviklinger inspirert av denne teknologien. Mens den amerikanske regjeringen insisterer på at Tony skal overdra det revolusjonerende våpenet til de militære myndighetene, går Ivan Vanko (Mickey Rourke), en mystisk skikkelse fra Stark familiens fortid, inn for å knuse Tony ved å avsløre sitt eget ødeleggelsesvåpen basert på Starks teknologi. Med fiender på alle kanter og personlige demoner å kjempe mot, innser Tony til slutt at han må samle sine allierte – gamle og nye – for sammen å kunne bekjempe de onde maktene som truer med å ødelegge han og hele menneskeheten.