تونی استارک، یک نابغه و مهندسی دخترباز، کسی که شرکت استارک را از پدرش به ارث برده است به همراه دوست خود کلنل جیمز رودس برای نمایش موشک جدید خود با نام «جریکو» به مناطق جنگی در افغانستان سفر می‌کند. استارک در طی کمینی در راه به شدت زخمی شده و توسط گروهکی تروریستی با نام ده حلقه در غاری زندانی شده و گروگان گرفته می‌شود. یک آهنربای الکتریکی ساخته شده توسط یینسن، هم سلولی استارک، ترکش‌هایی که او را مجروح کرده‌اند را از قلب او دور نگه می‌دارد تا او زنده بماند. فرماندهٔ گروهک ده حلقه رازا به استارک پیشنهاد آزادی در برابر ساخت موشک جریکو برای گروهک می‌دهد، اما تونی و یینسن مطمئنند که رازا بر قول خود وفادار نخواهد ماند.

استارک و یینسین به‌طور مخفیانه ژنراتور قوی‌الکتریکی به نام آرک می‌سازند تا نخست برق آهنربای استارک را تأمین کند سپس در ساخت زرهی آهنی برای فرار به آن‌ها کمک کند. ده حلقه زمانی که متوجهٔ کارهای استارک می‌شوند به کارگاه حمله می‌کنند اما یینسین خود را قربانی می‌کند تا زمانی کافی برای آماده‌سازی زره فراهم کند. استارک تمام راه غار به بیرون را می‌جنگد و یینسین را در حال مرگ پیدا می‌کند، سپس با آتش کشیدن مقر ده حلقه و نابود کردن اسلحه‌ها با پرواز کردن از آنجا فرار می‌کند اما در بیابانی سقوط کرده و زره متلاشی می‌شود. بعد از نجات پیدا کردن توسط رودس و بازگشت به خانه، استارک اعلام می‌کند که شرکتش دیگر تولید اسلحه نمی‌کند. عوبدیا استین، شریک قدیمی پدر استارک و مدیر شرکت به تونی گوش زد می‌کند که چنین کاری ممکن است به اعتبار خانوادهٔ او صدمه بزند. در این زمان تونی در کارگاه خانه‌اش، رآکتوری جدید برای سینه‌اش و زره‌های جدیدتر و کامل‌تری می‌سازد.

در اولین نشست خبری بعد از بازگشت استارک خبرنگاری با نام کرسیتین اورهارت او را از فروخته شدن سلاح‌های شرکت استارک من‌جمله موشک جریکو به گروهک ده حلقه و حملهٔ این گروهک به روستای یینسن مطلع می‌سازد. همچنین استارک متوجه می‌شود که استین در تلاش است تا به جای او مدیر شرکت شود. در نتیجه استارک زره جدید خود را پوشیده و به افغانستان پرواز می‌کند، تروریست‌های ده حلقه را کشته، روستا را نجات داده و تمام سلاح‌ها را نابود می‌کند. در راه بازگشت استارک توسط۲ جت جنگنده اف-۲۲ رپتور مورد حمله قرار می‌گیرد. او با رودس تماس می‌گیرد و راز خود را برای او برملا می‌کند تا حمله‌ها متوقف شوند. در این زمان اعضای ده حلقه تکه‌های زره اولیه را پیدا کرده و به استین در برابر اسلحه تحویل می‌دهند و او نیز به کمک مهندسی معکوس و اسلحه‌های بیشمار، زرهی دیگر برای خود می‌سازد. در پی پیدا کردن سلاح‌های فروخته شدهٔ دیگر به ده حلقه، استارک دستیار خود ویریجینیا «پپر» پاتز را مجبور به هک کردن کامپیوتر دفتر استین می‌کند. پپر می‌یابد استین کسی بوده که به تروریست‌ها سلاح می‌فروخته و ده حلقه را اجیر کرده تا استارک را به قتل برسانند. پاتز بعداً با مأمور فیل کولسن از سازمان ضد ترورسیستی «مداخله استراتژیک کشور، بخش اجرا و آمایش» (به انگلیسی: Strategic Homeland Intervention, Enforcement and Logistics Division) یا به اختصار شیلد (به انگلیسی: S.H.I.E.L.D) ملاقات می‌کند و نقشه‌های استین را برای وی بازگو می‌کند.

دانشمندان استین قادر به شبیه‌سازی آرک استارک نیستند بنابرین او در خانهٔ استارک مخفی شده و به کمک وسیلهٔ صوتی او را فلج کرده و آرک را می‌دزدد. پاتز و چند مأمور شیلد سعی در دستگیر کردن استین می‌کنند اما او با کامل کردن زره خود به آن‌ها حمله می‌کند. استارک با استین مبارزه می‌کند اما بدون رآکتور جدید نمی‌تواند از تمام توانایی‌های خود استفاده کند. استارک استین را به پشت بام کارخانهٔ استارک می‌کشاند و از پاتز می‌خواهد تا رآکتور موجود در کارخانه را فعال کند. با فعال شدن رآکتور و ایجاد موجی الکتریکی، استین بیهوش شده و به داخل آن سقوط می‌کند و به دلیل انفجار ناشی از آن کشته می‌شود. روز بعد تمام روزنامه‌ها در مورد ابر قهرمان جدیدی به نام مرد آهنی می‌نویسند. مأمور کولسن به استارک داستانی دروغین دربارهٔ نحوهٔ مرگ استین برای پوشیدن ماجرا می‌دهد. در نشست خبری، استارک ابتدا داستان دروغین را تعریف می‌کند اما در آخر اعلام می‌کند که او مرد آهنی است.

در صحنه‌های پایانی و پس از نمایش دست اندر کاران فیلم، نیک فیوری مدیر شیلد به خانهٔ استارک و تنها می‌گوید که مرد آهنی تنها ابر قهرمان دنیا نیست و به پروژهٔ انتقام‌جویان اشاره می‌کند.