טוני סטארק (רוברט דאוני ג'וניור) מוכר לעולם כאיירון מן, וגילוי זה מביא איתו לא מעט לחצים. ממשלת ארצות הברית דורשת ממנו לשתף את טכנולוגיית החליפה שלו עם הצבא, אך סטארק מסרב בתוקף לחשוף את סודותיו, מתוך חשש שהמידע ייפול לידיים הלא נכונות ויוביל לשימוש לרעה. במקביל, הוא מתמודד עם מחלה מסוכנת שמאיימת על חייו, ומחפש פתרונות שיאפשרו לו להמשיך להילחם לצד יכולותיו המיוחדות. במהלך המשבר, סטארק יוצר ברית חדשה עם פפר פוטס (גווינת פלטרו), שממשיכה לתמוך בו גם ברגעים הקשים, ועם ג'יימס רודס (דון צ'ידל), שמסייע לו להגן על העולם ולהתמודד עם האיומים המתעצמים. יחד הם נלחמים בכוחות רשע חזקים שמסכנים את שלום העולם, כאשר סטארק חייב למצוא איזון בין אחריותו כגיבור לבין הרצון לשמור על פרטיותו ועל הטכנולוגיה שפיתח.
הסיפור מתמקד בהתמודדות הפנימית של טוני עם האחריות העצומה שנפלה עליו, לצד המאבק החיצוני נגד אויבים שמנסים לנצל את הטכנולוגיה שלו למטרות זדוניות. במקביל, היחסים בין הדמויות מתפתחים, והברית בין סטארק, פפר ורודס מחזקת את עמידתם מול הסכנות. האתגרים הרבים מאלצים את טוני לקבל החלטות קשות, כשהעתיד של הטכנולוגיה ושל העולם כולו תלוי בו. איירון מן 2 מציג את המאבק בין חופש לפרטיות, בין כוח לאחריות, ומעמיד את טוני סטארק במרכזו של קרב שמכתיב את גורל האנושות. בסופו של דבר, טוני מצליח לשלב בין טכנולוגיית החליפה לבין פתרון רפואי שמאריך את חייו, ומגלה כי שיתוף פעולה עם רודס ופפר הוא המפתח לניצחון. האויבים מתמודדים עם כוחו המשותף של הצוות, וסטארק מבין כי עליו להמשיך לפתח את עצמו לא רק כגיבור, אלא גם כאדם. הסרט מדגיש את חשיבות האיזון בין כוחות על לבין ערכים אישיים, ומכין את הקרקע להמשך ההרפתקאות בעולם הקולנועי של מארוול.
