На трассе Монте-Карло, во время гонок, Старк встречается с Иваном Ванко в костюме с электрическими хлыстами, и побеждает его, хоть и с большим трудом. В результате, Иван попадает в тюрьму. Позже его похищают и привозят к Джастину Хаммеру, главному конкуренту Старка. Хаммер обещает Ванко нераскрытие его выживания, взамен Иван должен помочь с разработкой аналогов костюма Старка. Ванко решает обмануть Хаммера, сказав, что превратит костюмы в дронов. На самом деле, большинство времени он проводит за конструированием собственного костюма, более мощного и большего, чем у Старка, с более мощными хлыстами (совет, который неосмотрительно дал ему сам Тони).

Позже Старк встречается с директором Щ.И.Т.'а Ником Фьюри и получает инъекцию диоксида лития, временно нейтрализующего отравление палладием. Также он получает доступ к наследству отца и пересматривает старые черновые киноплёнки, где отец говорит о «Старк-Индастриз». На одной из плёнок было записано обращение Говарда к Тони, где он показывает на макет «Старк-Экспо» и говорит: «Это всё для тебя. И когда-нибудь ты поймёшь, что это воплощение чего-то большего, чем просто изобретение. Это дело всей моей жизни. Это ключ к будущему. Я ограничен технологиями своего времени, но придёт день, и ты завершишь проект… Но и сейчас в одном я уверен: моё лучшее творение — это ты». Тони, пытаясь загладить вину и извиниться перед Пеппер, приезжает в «Старк-Индастриз», где находит тот макет, и, моделируя его объёмную модель, понимает, что этот макет похож на атом нового элемента, способного стать безвредной заменой палладию.

Хаммер выступает на конференции «Старк-Экспо», на которой показывает роботов (которых он назвал «Хаммер-дронами») и костюм, внутри которого находится Джеймс Роудс, выдавая их за своё изобретение. В это время Ванко звонит Старку, угрожая уничтожить всё, что ему дорого. Не дожидаясь проверки реактора работающего на новом виде топлива, Старк надевает новую броню и мчится на Экспо.

Когда Старк влетает в зал, желая предупредить Роудса об опасности, роботы и костюм выходят из-под контроля и устремляются в погоню за Старком. Как выясняется позже, управление роботами и костюмом перехватил Ванко. Агент Щ.И.Т.'а Натали Романова и личный телохранитель Старка Хэппи Хоган отправляются к Ванко в «Хаммер Индастриз», но тот уходит от них в своём усовершенствованном костюме.

Романовой удаётся через консоль, оставленную Ванко, перезагрузить костюм Роудса, и вдвоём Тони и Роуди уничтожают оставшихся дронов. После этого прилетает Ванко, которого им удается убить, лишь направив авиастабилизаторы, встроенные в ладони, друг на друга, в результате чего происходит взрыв.

Перед своей смертью Ванко ещё раз обещает Старку, что тот умрёт. Роуди замечает красные мигающие огоньки на дронах и говорит Старку, что все побежденные дроны, находящиеся во всех уголках «Старк-Экспо», заминированы. Старк в последние секунды перед взрывом успевает спасти Пеппер.

В конце Тони и Роудсу вручают медали «за исключительный вклад в обеспечение безопасности» из рук того самого сенатора Стерна, который в начале фильма вовсю изгалялся над Железным Человеком. Попутно сенатор произносит «такая мелкая паскуда, а бесит», по сценарию — про булавку медали, а по смыслу — о Старке.

После титров показывают агента Фила Колсона, который приезжает на раскопки и звонит своему начальнику Нику Фьюри, сообщая, что они нашли «это». «Этим» оказывается молот Тора, который показывают крупным планом, что является намёком на следующий фильм в Кинематографической вселенной Marvel — «Тор»