《钢铁侠2》的故事紧接第一部，托尼·斯塔克公开了自己钢铁侠的身份后，成为全球瞩目的焦点。然而，他在国会听证会上高调拒绝交出钢铁战衣技术，引发政府不满。与此同时，托尼发现胸口的微型电弧反应炉正在导致血液钯金属中毒，生命进入倒计时。绝望中，他将斯塔克公司的总裁职务交给秘书佩珀·波兹，自己则沉迷于酗酒和放纵，甚至在高调出席斯塔克博览会开幕式时穿着战衣醉醺醺地表演，引发舆论哗然。 　　托尼的张扬引起了伊凡·万科的注意。伊凡的父亲曾与托尼的父亲霍华德·斯塔克合作研发电弧反应炉，但因理念不合被驱逐出境，最终在贫困中死去。心怀怨恨的伊凡利用父亲留下的技术，制造出与钢铁侠相似的方舟反应炉和电鞭武器，在摩纳哥赛车场突袭托尼，险些将其杀死。虽然伊凡被捕，但他的技术引起了军火商贾斯汀·汉默的注意，后者设法将其救出，秘密合作开发新型战甲军队，企图取代钢铁侠。 　　与此同时，托尼发现自己的新任助理娜塔莉·拉什曼实际上是神盾局特工娜塔莎·罗曼诺夫，而他的挚友罗德上校因不满其任性行为，带走一套战甲成为“战争机器”。在神盾局局长尼克·弗瑞的帮助下，托尼从父亲遗留的资料中发现新元素，成功替换了中毒的钯反应炉。最终，托尼与罗德联手，在斯塔克博览会上对抗汉默控制的无人机军团和伊凡操纵的巨型战甲。经过激烈战斗，二人成功击败敌人，托尼也与罗德和解。影片结尾，神盾局正式邀请托尼加入复仇者联盟计划，为后续的漫威宇宙埋下伏笔。