Остросюжетный фантастический боевик, продолжение приключенческой эпопеи про жизнь невероятного Тони Старка, Железного человека из вселенной Marvel. В роли ученого, миллиардера, филантропа и супергероя по-прежнему снимается неотразимый Роберт Дауни младший, а в роли его подруги – очаровательная Гвинет Пэлтроу. Какие напасти обрушились на голову Тони Старка на этот раз, смотрите онлайн в фильме "Железный человек 3". После самоотверженной командной работы в рядах Мстителей, позволившей спасти Землю от инопланетных захватчиков, а Нью-Йорк от полного уничтожения, Тони Старк осознал свою уязвимость, почувствовал себя букашкой в консервной банке и начал страдать от приступов паники. Бороться с психологическими проблемами Старк решил с помощью изнуряющей работы над усовершенствованием костюма Железного человека. Уйдя с головой в работу, Тони пропустил появление нового террориста номер один по имени Мандарин, который обещает подорвать мирную жизнь американцев. Когда в одном из терактов серьезное ранение получает телохранитель и друг Старка, миллиардер вызывает террориста на бой. Преступник не заставляет себя ждать и уничтожает дом Старка в Малибу. Теперь герой лишается своего костюма и вынужден бороться со злодеем буквально голыми руками.
После событий, описанных в фильме «Мстители», Тони Старк переживает сильнейший кризис. Депрессия усугубляется постоянным чувством страха и незащищенности, которое заставляет изобретателя делать все новые и новые вариации бронекостюма. Отношения с окружающими, в том числе с Пеппер Потс, ухудшаются. Между тем в городе появляется ученый Олдрич Киллиан, некогда страдавший от неизлечимой болезни, сделавшей его инвалидом. Неожиданно выздоровевший и помолодевший Киллиан предлагает Потс как представителю «Старк Индастриз» свои инновационные разработки, но Пеппер подозревает, что они связаны с оружием, поэтому отвергает предложение. Вместе с внезапным появлением Киллиана телевидение заполняют сюжеты об участившихся терактах, ответственность за которые берет на себя некий Мандарин. После очередного взрыва Тони публично бросает вызов террористу, объявив на всю страну свой адрес. Позже особняк Старка атакует вертолетная армада.
Пеппер Потс удается спастись, а Тони Старк не успевает отбиться, в результате чего оказывается погребенным на дне океана под развалинами. Джарвис спасает босса и отправляет костюм в провинцию, чтобы Тони восстановил силы, пока все думают, что он погиб. Старк восстанавливает силы, чинит костюм и попутно изучает места взрывов. Тони устанавливает, что взрывы вызваны веществом Экстремис, которое в 1999 году разрабатывала его знакомая Майа Хансен. Тем временем Джарвис устанавливает координаты секретного штаба Мандарина. Старк проникает туда и узнает, что Мандарин - дешевый актер, нанятый Олдричем Киллианом. Таким образом выясняется, что Киллиан и есть настоящий Мандарин. В свое время Олдрич также нанял Майю, чтобы присвоить себе Экстремис, но не смог доработать формулу. Старка обнаруживают, но ему удается бежать. Он узнает, что Пеппер Потс в плену у Киллиана. В это же время злодеи похищают президента, намереваясь убить его в прямом эфире. В компании своего друга полковника Роудса и целой армии дистанционно управляемых костюмов Старк спасает президента. Киллиан выводит свой батальон генномодифицированных солдат. Начинается настоящее месиво из компьютерной графики, из которого Старк и компания выходят победителями. После знатного мочилова от депрессии Тони не остается и следа. Он решает избавиться от всех костюмов и атомного реактора в груди. Жизнь налаживается.