Au moment où Tony Stark (Robert Downey Jr.) révèle au monde qu’il est Iron Man, à Moscou, Anton Vanko (Evguéni Lazarev) meurt dans la misère. Son fils Ivan décide alors de se venger de la famille Stark et jure de faire tomber Tony aussi bas que sa propre famille est tombée à cause d’Howard Stark (John Slattery). En effet, Ivan tombe sur les plans du réacteur ARK (dont la réplique miniature occupe actuellement le torse de Tony) avec les noms d’Anton Vanko et d’Howard Stark inscrits en dessous. Anton était un physicien soviétique qui passa à l’Ouest en 1963 et devint un associé d’Howard. Ensemble, ils inventèrent le réacteur ARK, mais Anton fut accusé d’espionnage et expulsé des États-Unis en 1967. Grâce à ces plans, Ivan construit à son tour un réacteur miniature.

Six mois plus tard, Tony Stark inaugure l’ouverture de la Stark Expo à Flushing Meadows, comme l’avait fait son père en 1974. Mais le monde ignore que Tony est aujourd’hui malade et sur le point de mourir. Son générateur au palladium, qui empêche les éclats d’obus d’atteindre son cœur, empoisonne le sang de Tony à cause de la toxicité de l’élément. Au vu de son pronostic vital, Tony sombre dans la dépression, l’alcoolisme et l’autodestruction. De plus, il devient la cible du sénateur Stern (le président du Comité sénatorial des forces armées américaines) qui veut faire d’Iron Man la propriété des États-Unis par le biais de l’actuel fournisseur principal des forces armées, Justin Hammer (Sam Rockwell). Dans le même temps, toujours à Moscou, Ivan Vanko a relié son réacteur miniature à des fouets qui sont ainsi électrifiés. Dans son manoir, à Malibu, Tony, conscient de l’imminence de sa mort, décide de léguer Stark Industries et d’en donner la direction à sa fidèle secrétaire Pepper Potts (Gwyneth Paltrow). Ivan, devenu Whiplash, acquiert par le biais d’un inconnu de faux papiers pour se rendre au Grand Prix historique de Monaco. Alors que Tony va signer les contrats de succession, il fait la connaissance d’une nouvelle employée, Natalie Rushman (qui est en réalité un agent du SHIELD, Natasha Romanoff (Scarlett Johansson), chargée par le directeur de l’organisation, Nick Fury (Samuel L. Jackson), de surveiller Stark). Subjugué par son charme, il lui demande de devenir sa nouvelle secrétaire et celle-ci accepte.

Lors du Grand Prix, Tony, plus intrépide que jamais, congédie le pilote de son écurie de course et prend sa place. C’est à ce moment que Vanko entre sur la piste et taille les voitures en pièce à l’aide de ses fouets. Par chance, Tony s’en sort indemne et Pepper Potts réussit, in extremis, à lui lancer son attaché-case contenant la nouvelle armure qu’il vient de créer. Iron Man remporte ce combat avec quelques difficultés, après quoi Ivan est arrêté par la police et mis en prison. Mais Justin Hammer le fait alors évader et fait simuler sa mort, lui demandant de l’aider à développer ses projets d’armement pour prendre la place de Stark.

De son côté, Tony va célébrer son anniversaire et, redoutant que ce soit le dernier, se livre à une débauche des plus débridées. Totalement saoul, il revêt son armure et s’en sert pour divertir ses invités. C’est à ce moment que, révolté par le comportement de son ami et le jugeant indigne de cette arme, le lieutenant-colonel James « Rhodey » Rhodes (Don Cheadle) s’empare de l’armure Mark II (prototype de l’armure d’Iron Man). Après un combat épique entre les deux hommes ainsi équipés dans le manoir Stark, Rhodey abandonne Tony et emporte l’armure à la base Edwards.

Tony Stark, délaissé par ses amis et toujours sur le point de mourir, est retrouvé au Randy’s Donuts par Nick Fury. Lors de cette rencontre, Tony découvre la véritable identité de Rushman et sa mission. L’agent Romanoff injecte à Tony du dioxyde de lithium pour alléger ses symptômes et lui laisser plus de temps pour trouver un élément de substitution au palladium. Chez Hammer Industries, Justin découvre que Vanko commence à produire non pas des armures comme Iron Man mais des drones de combat. De retour dans le manoir, Fury confie à Tony que le réacteur ARK est basé sur une technologie inachevée, et qu’il incombe à Tony de parachever l’œuvre de son père. Hammer est convoqué à Edwards dans le but d’équiper le Mark II d’un arsenal offensif supplémentaire et de mettre à jour son logiciel. Grâce à une maquette de la Stark Expo de 1974, Tony parvient à concevoir un nouveau générateur en synthétisant un nouvel élément chimique, plus puissant que le palladium et sans danger pour sa santé.

Pendant ce temps, Vanko a construit au moins une trentaine de drones et a augmenté la puissance de sa propre armure. Hammer commence à douter de lui et le fait enfermer.

Ayant réussi à se débarrasser de ses geôliers, Vanko contacte Tony par téléphone et menace de faire subir en 40 minutes à ses proches ce que son père et lui ont subi durant 40 ans. Stark équipe en urgence son armure avec le nouveau générateur et, sans test préalable, se rend à la Stark Expo où Justin Hammer présente ses nouveaux drones ainsi que l’armure pilotée par Rhodes. Au cours de cette présentation, Vanko active à distance les drones de combat et pirate l’armure de Rhodes pour les envoyer combattre Iron Man. S’ensuit alors un combat entre Iron Man, les drones de Hammer et Rhodes.

Alors qu’Iron Man est sur le point d’affronter son ami, l’agent Romanoff réussit à entrer par effraction chez Hammer Industries et à désactiver les commandes à distance, rendant Rhodey à nouveau maître de son armure, et les deux héros de métal détruisent ensemble le reste des drones. C’est à ce moment que Vanko apparaît, vêtu de sa nouvelle armure, et les affronte.

Vanko est finalement vaincu grâce aux répulseurs de Stark et Rhodes. Mais Vanko, lourdement blessé, révèle à Stark que les drones sont programmés pour exploser tous en même temps. Tony et Rhodey s’enfuient à temps et Vanko meurt dans l’explosion. Stark sauve la vie de Pepper, qui était restée à proximité d’un drone vaincu et celle-ci, dépassée par les événements, lui donne sa démission. Mais Tony refuse et l’embrasse, lui avouant son amour. De son côté, Rhodes décide de ne pas rendre à Tony son armure et devient ainsi War Machine, permettant à l’armée américaine de ne plus dépendre de Stark.

Plus tard, Tony est de nouveau convoqué par Nick Fury qui lui avoue n’être plus certain que le projet Initiative (sur la création d’une équipe de super-héros) le concerne. Il s’appuie sur un rapport écrit par l’agent Romanoff décrivant le playboy milliardaire comme instable. Cependant, Fury lui apprend qu’il voudrait faire de lui un consultant du SHIELD, ce que Tony accepte, en échange de quoi, lui et Rhodey seront décorés à Washington par le sénateur Stern (Garry Shandling).

Source: Wikipédia