Tony Stark (Robert Downey Jr.) é o chefe das Indústrias Stark, uma companhia que fabrica armamentos militares que ele herdou de seu falecido pai. Stark é um inventor genial e prodigioso; entretanto, ele também é um playboy. Tony age como o presidente para sua companhia enquanto o velho amigo de seu pai, Obadiah Stane (Jeff Bridges), toma conta das operações do dia-a-dia.
Stark vai para o Afeganistão com seu amigo e militar, Tenente-Coronel James Rhodes (Terrence Howard), para uma demonstração de uma nova arma da Stark, o míssil "Jericho". No caminho de volta, o comboio militar de Stark é atacado, e ele é gravemente ferido e perde sua consciência. Após voltar para si, Tony descobre-se prisioneiro de um grupo terrorista conhecido como os Dez Anéis. Um imã eletromagnético foi embutido em seu peito por seu companheiro refém, Dr. Yinsen (Shaun Toub) para manter os fragmentos de uma bomba longe de seu coração. O líder do Dez Anéis, Raza (Faran Tahir), oferece a Stark sua liberdade, em troca ele terá de construír um míssil Jericho para ele.
Em vez disso, durante seus três meses como refém, Tony e Yinsen secretamente constroem uma armadura energizada por uma miniatura do "reator ark", que Tony constrói para substituir o imã eletromagnético. Os terroristas ficam impacientes e dão a Stark 24 horas para terminar. O tempo acaba antes que a armadura esteja completamente ativada, então Yinsen distrai os guardas enquanto Tony energiza a armadura. Stark (com a armadura)luta com todos que estejam no seu caminho para a saída das cavernas. Stark encontra Yinsen gravemente ferido, quase morrendo, que diz para ele não desperdiçar a sua vida. Stark queima todas as munições dos terroristas e foge voando, apenas para cair no deserto; Stark sobrevive, mas sua armadura é destruída. Após ser resgatado por Rhodes, Stark anuncia que sua companhia não irá mais fabricar armas. Stane avisa a Tony que será a ruína das Indústrias Stark.
Stark começa a focar suas energias em construir uma versão improvisada de sua própria armadura, assim como um mais poderoso reator ark para seu peito. Após aprimorar seu reator, a assistente de Stark, Virginia "Pepper" Potts (Gwyneth Paltrow) dá a ele seu primeiro reator, agora em um vidro como um presente. Depois, durante a primeira aparição pública de Stark após seu retorno, ele é intimidado por uma repórter que mostra a ele fotos de armas das Indústrias Stark recentemente mandadas aos Dez Anéis. Irritado, Stark veste sua nova armadura e voa para o Afeganistão. Os soldados do Dez Anéis provam não serem capazes contra Stark e são rapidamnte derrotados. Voando para casa, Stark é atingido por F-22 americanos. Ele entra em contato com Rhodes e revela sua identidade secreta tentando fazer o ataque ser cancelado, não funciona e ele acaba destruindo um dos F-22 e só após de salvar o piloto consegue escapar.
Stark manda Pepper hackear o sistema de computadores da companhia. Ela descobre que Stane estava armando os terroristas com armamento da Stark e contratou o Dez Anéis para matar Stark, mas o grupo se renegou a cumprir o acordo após descobrir quem era o alvo. Depois ela se encontra com o Agente Coulson da S.H.I.E.L.D. (Superintendência Humana de Intervenção e Espionagem Logística Dissuasão), uma agência contra terrorismo, para informá-lo das atividades de Stane.
Stane visita o Dez Anéis e, após obter as peças da primeira, e destruída, armadura, os elimina. Stane então faz engenharia reversa com sua própria armadura e a primeira de Tony; entretanto, seus cientistas não puderam recriar o reator ark de Stark. Não -perssuasivo, Stane embosca Stark em sua própria casa, usando um aparelho para paralisá-lo. Stane remove reator ark do peito de Stark e o deixa para morrer. Entretanto, Stark consegue alcançar e reinstalar seu reator original. Enquanto isso, Potts e vários agentes da S.H.I.E.L.D. vão prender Stane, apenas para serem atacados por ele, em sua agora funcional armadura.
Stark corre para o resgate mas não consegue derrotar Stane, porque seu reator está sobrecarregado por causa da armadura que ele estava usando. Ele consegue levar Stane ao topo do prédio das Indústrias Stark e instrui Potts para sobrecarregar o grande reator ark que energiza o prédio. Isso libera uma descarga elétrica massiva que deixa Stane inconsciente e o deixa cair no reator que estava explodindo, o matando.
No dia seguinte, é revelado que a imprensa está chamando a pessoa misteriosa de "Homem de Ferro". Antes de falar em uma coletiva de imprensa, Stark rapidamente tenta estabelecer uma relação romântica com Potts, mas é rejeitado. Stark começa a contar a história inventada dada a ele pela S.H.I.E.L.D., mas anuncia abertamente que ele é o Homem de Ferro.
Em uma cena pós-creditos, Stark é visitado pelo Diretor da S.H.I.E.L.D., Nick Fury (Samuel L. Jackson), que diz a Stark que "ele não é o único super-herói no mundo", e diz que gostaria de falar sobre a "Iniciativa Vingadores".