《钢铁侠3》讲述了托尼·斯塔克因纽约事件患上焦虑症后，一边疯狂研发钢铁侠升级版，一边应对恐怖头目曼达林制造的爆炸袭击，最终发现幕后黑手是阿尔德里奇·基连，并与其展开激烈战斗的故事。具体剧情如下：
托尼·斯塔克的焦虑与研发：自纽约事件后，托尼·斯塔克被前所未有的焦虑症所困扰，心跳加快、呼吸急促，他疯狂投入钢铁侠升级版的研发，废寝忘食，甚至忽略了女友佩珀·波茨的感受。为了保护心爱的女人，他不断研究钢铁盔甲，造出了37套功能不同的盔甲。
曼达林的袭击与基连的阴谋：与此同时，臭名昭著的恐怖头目曼达林制造了一连串的爆炸袭击事件，托尼当年最忠诚的保镖在最近的一次袭击中身负重伤。未过多久，托尼、佩珀以及曾与他有过一面之缘的女植物学家玛雅在家中遭到猛烈的炮火袭击，几乎丧命。而这一切似乎都与22年前那名偶然邂逅的科学家阿尔德里奇·基连及其终极生物的研究有关。基连研究了一个项目，往人体注射某种物质让人可以变成高达3000度温度的火人，但如果又注入另一个物质，这个人就会爆炸。基连为了报复和统治世界展开了一系列活动，还向钢铁侠复仇，用三架直升战斗飞机把钢铁侠的家给炸了，钢铁侠还差点丧命。
“满大人”的真相：刚开始世界上的人都以为钢铁侠死了。这集的最大反派看似是满大人（曼达林），但其实是个傀儡演员，好酒好色，幕后由基连操作。基连绑架总统，和副总统合作，因为副总统的孩子少了一条腿，他想让自己的孩子的腿长出来，于是就和基连勾结在一起。
钢铁侠的战斗与结局：钢铁侠带领自己的钢铁侠大军与基连战斗。然而，钢铁侠的女友小辣椒因为被绑架而被注射了火人物质，变成了火人，力大且反应敏捷。在关键时刻，小辣椒给了基连最后一击，让基连变成了灰。最后，钢铁侠去掉了自己身上的电磁能量。
