《钢铁侠2》讲述了托尼·斯塔克在公开技术、应对健康危机和外部威胁的过程中，与好友罗德携手对抗反派伊凡和军火商汉默，最终化解危机并获得认可的故事，具体剧情如下：
托尼的困境：托尼·斯塔克在国会听证会上拒绝交出钢铁侠的最新技术，同时他发现自己胸口的微型电弧反应炉正导致血液钯金属中毒，健康状况急剧恶化。沮丧之下，他将斯塔克公司的总裁职务交给秘书波兹，由她负责纽约斯塔克博览会的筹备工作。波兹从法律部门调来助理娜塔莉照顾托尼，但托尼很快发现娜塔莉身负秘密使命。
伊凡的复仇：托尼在媒体前的高调亮相引起了伊凡的不满。伊凡是托尼父亲当年同事的儿子，他子承父业，研制出一套可与钢铁战衣媲美的装备，意图报复托尼家族。伊凡的技术引起了托尼的竞争对手、军火商贾斯丁·汉默的注意。汉默设法将伊凡劫持出狱，秘密研究取代钢铁侠的技术。
托尼与罗德的反目：托尼因钯金属中毒而陷入失意，同时他的任性行为导致与好友、空军上校罗尼反目。罗德抢走了一套战衣，与托尼展开大战。最终，托尼被逼走，降落在一个巨大的麦圈模型上，而罗德回到了爱德华空军基地。
汉默的阴谋：罗德中校受将军之令，将铁甲战衣送给汉默参展，以满足博览会参观者的需求。汉默送给罗德一大批火力超强的武器作为回报。汉默得意地向伊凡炫耀自己已拥有改良版的史氏科技，而伊凡的钢铁战士只能做博览会的布景道具。伊凡不理睬汉默的指责，依然我行我素，并警告托尼多留意曼哈顿，他要报复托尼父亲40年前对伊凡父亲做的事。
博览会的危机：博览会上，汉默趾高气扬地介绍了陆海空钢铁战士，特别介绍了原型是罗德的钢铁中校。然而，被伊凡控制的钢铁战士突然发起进攻，参观者纷纷逃难。汉默顿时傻了眼，自己苦心经营的家底竟然被伊凡利用，而且造成民众伤亡。最终，汉默被纽约警察逮捕。
托尼与罗德的并肩作战：托尼和罗德开始并肩作战，携手对抗邪恶势力。他们消灭了大部分机器人，但最后从天而降的机器人非同一般，原来是伊凡本人。伊凡火力威猛，以一对二，与托尼和罗德展开了一场苦战。
伊凡的败亡与危机解除：一番苦战后，伊凡最终被打倒在地。奄奄一息的伊凡嘲笑托尼败局已定。托尼疑惑之际，突然看到很多倒下的敌方钢铁战士胸前装置一闪一闪，意识到这是钢铁战士启动了自爆装置。他想起波兹可能有危险，立即开足马力飞驰而去，将波兹惊险救出。他们身后响起巨大爆炸，火光冲天而起，两人死里逃生、降落在一处楼顶温情相拥。
结局与认可：托尼和罗德的英勇表现受到政府颁发的勋章，托尼被称赞为国宝。
