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O gênio, bilionário, playboy e filantropo Tony Stark, que herdou do seu pai o empreiteiro de defesa Indústrias Stark, está no Afeganistão dilacerado pela guerra, com seu amigo e Tenente-Coronel James Rhodes, para demonstrar o novo míssil "Jericho". Após a demonstração, o comboio é emboscado e Stark é gravemente ferido por uma de suas próprias granadas lançadas por foguete. Ele é capturado e preso em uma caverna por um grupo terrorista, os Dez Anéis, e um eletroímã é embutido em seu peito por seu companheiro refém Yinsen para manter os fragmentos de uma bomba longe de seu coração. O líder do Dez Anéis, Raza, oferece a Stark liberdade em troca de construir um míssil Jericho para o grupo, mas Tony e Yinsen concordam que Raza não vai manter a sua palavra.

Stark e Yinsen silenciosamente constroem um poderoso gerador elétrico chamado "reator arc" para dar energia ao eletroímã de Stark e um poderoso traje de armadura para ajudar na sua fuga. Os terroristas desconfiam já que eles estão demorando mais que o previsto, ao entrar na caverna e conversar com os dois um dos líderes ficou desapontado já que deixou Yinsen viver com a condição de auxíliar stark a construir o Jericho mas ele sabe que eles não estão o construindo pelo fato de estarem demorando demais, para salvar a vida de Yinsen que estava sendo torturado para contar a verdade, Stark da a possibilidade de ter uma data de entrega, e o líder acaba dando até o dia seguinte para terminar o Jericho. Embora mantenham o fato escondido quase até a conclusão, os Dez Anéis descobrem as intenções de seus reféns e atacam a oficina. Yinsen se sacrifica para distraí-los enquanto o processo está concluído. O blindado Stark luta para sair da caverna e encontra Yinsen morrendo, então com raiva queima as armas dos Dez Anéis e voa para longe, caindo no deserto e destruindo o traje. Depois de ser resgatado por Rhodes, Stark volta para casa e anuncia que sua empresa não vai mais fabricar armas. Obadiah Stane, antigo sócio de seu pai e gerente da empresa, aconselha Stark que isso pode arruinar as Indústrias Stark e o legado de seu pai. Em sua oficina em casa, Stark constrói uma versão mais elegante, mais poderosa de seu traje de armadura improvisado, assim como um "reator arc" mais poderoso para o seu peito. A assistente pessoal Pepper Potts coloca o reator original dentro de uma pequena vitrine de vidro. Embora Stane solicite detalhes, Stark mantém seu trabalho para si mesmo.

Em um evento de caridade realizado pela Indústrias Stark, a repórter Christine Everhart informa a Stark que as armas de sua empresa, incluindo o Jericho, foram recentemente entregues aos Dez Anéis e estão sendo usadas para atacar a aldeia natal de Yinsen, Gulmira. Stark também descobre que Stane está tentando substituí-lo como chefe da empresa. Enfurecido por essas revelações, Stark coloca sua nova armadura e voa para o Afeganistão, onde salva os aldeões. Ao voar para casa, Stark é baleado por dois aviões de combate F-22 Raptor. Ele revela sua identidade secreta a Rhodes por telefone em uma tentativa de acabar com o ataque. Enquanto isso, os Dez Anéis reúnem as peças do traje protótipo de Stark e se encontram com Stane, que subjuga Raza e tem o resto do grupo morto. Stane tem um enorme novo traje de engenharia reversa projetado dos destroços. Procurando encontrar outras armas entregues aos Dez Anéis, Stark envia Pepper para invadir o sistema de computador da empresa do escritório de Stane. Ela descobre que Stane tem fornecido os terroristas e contratado os Dez Anéis para matar Stark, mas o grupo renegou. Potts se reúne com o agente Phil Coulson da S.H.I.E.L.D., uma agência de combate ao terrorismo, para informá-lo das atividades de Stane.

Os cientistas de Stane não podem duplicar o "reator arc" de Stark, então Stane embosca Stark em sua casa e pega o de seu peito. Stark consegue chegar ao seu reator original para substituir a tomada. Potts e vários agentes da S.H.I.E.L.D. tentam prender Stane, mas ele veste seu traje e os ataca. Stark luta com Stane, mas é dominado sem seu novo reator para executar seu traje em plena capacidade. A luta leva Stark e Stane para o topo do edifício das Indústrias Stark, e Stark instrui Potts para sobrecarregar o grande "reator arc" para prover energia no edifício. Isso solta uma grande onda elétrica que faz com que Stane e sua armadura caiam no explosivo reator, matando-o. No dia seguinte, numa conferência de imprensa, Stark desafia sugestões da S.H.I.E.L.D. e admite publicamente ser o super-herói que a imprensa chamou de "Homem de Ferro".

Em uma cena pós-créditos, o diretor da S.H.I.E.L.D. Nick Fury visita a casa de Stark, dizendo-lhe que o Homem de Ferro não é "o único super-herói do mundo", e explicando que ele quer discutir a "Iniciativa Vingadores".