天才发明家兼企业家托尼·斯塔克在21岁时继承亡父霍华德·斯塔克的斯塔克工业（英语：Stark Industries）；表面上是爱国者，私底下却是自恋自负的花花公子，借着贩售军火的收入逍遥自在。他与挚友兼空军上校詹姆斯·罗德到阿富汗[d]演示完最新科技导弹“耶利哥”（Jericho），前往机场回美国的途中遭到一群武装民兵袭击。护卫队全军覆没后，四处躲藏的托尼被一颗出产于自己公司的火箭推进榴弹炸伤胸腔。许久后，托尼在一座洞穴中清醒，发现自己的胸部中央被安装上一个连接汽车蓄电池的电磁铁，帮他动手术的男子尹森解释他身体里的弹片插得过深而无法取出，只能靠这枚电磁铁来避免他的心脏受损害。
托尼得知他们被武装组织十环帮（英语：Ten Rings (organization)）俘虏，组织所有人都持有大量来自斯塔克工业的枪械，首领拉扎（英语：Raza (Marvel Comics)）胁迫托尼帮他们制造一系列耶利哥导弹来换取自由。深知对方不会轻易释放他的托尼表面合作，暗中开始安排逃亡计划。得到所需材料后，托尼设计出一架以反应堆发电的钢铁动力服作为逃生器具，同时取出原型导弹中的金属钯，用一堆破铜烂铁拼凑成小型弧核反应堆替代身上的电磁铁；其每秒会产生30亿焦耳电量。几个月下来，托尼与尹森全心投入制作动力服，耐不住性子的拉扎下令隔天就是最后期限。托尼抓紧时间完善动力服，设置好启动程序后等待几分钟的运行，尹森发现时间来不及后，拿着一把枪冲出去拖延时间后身中数枪。托尼等动力服正式启动后出动，杀出一条血路至洞穴外，奄奄一息的尹森因家破人亡而决定赴死，最后提醒托尼不要浪费生命。
托尼冲出洞穴后用喷火器烧毁整座基地后利用喷射装置飞离，直到动力服耗尽电量而坠毁在沙漠中，但也幸运地被巡逻美军找到而获救。回美国后，托尼直接召开新闻发布会，宣布会彻底将斯塔克工业改头换面，其秘书佩珀·波兹、罗德以及斯塔克工业副总裁奥比达·斯坦看到他焕然一新后十分震惊；而一名来自政府部门神盾局的探员菲尔·寇森找上佩珀打算知道托尼失踪时的细节。托尼丝毫没有被外界的质疑影响，借由佩珀的帮助更换上全新的反应堆心脏，也开始着手建造新型的战甲。托尼在自己宅邸的地下工作室工作几天几夜，做出一套整合型的实验第二代动力服，完成后立刻进行各种测试藉以应对各种情况。与此同时，拉扎在沙漠中回收托尼的动力服碎片，用洞穴里留下的设计图将其再度拼凑起来，认为该科技若是大量生产足以称霸世界。
托尼出席迪士尼音乐厅的宴会，曾与托尼有过一夜情的女记者克里斯汀·艾弗哈特（英语：Christine Everhart）给托尼观看一系列尹森的老家古米拉小镇被十环帮袭击的照片。托尼发现是奥比达将武器卖给十环帮后，为了制止自己的武器继续肆虐那里，于是身换上色过的第三代动力服飞到小镇，摧毁十环帮的势力并拯救所有村民。但托尼回去的途中被阿富汗美军基地探测到，美军为以防万一而派遣两架F-22战机进行拦截，托尼在意外毁掉一架战机后得以逃脱。悬赏托尼性命的幕后黑手奥比达来到十环帮的营地，夺走原始动力服与设计图且血洗营地，召集一群精英工程师根据设计图，靠逆向工程为他量身私造出一架巨型动力服。
佩珀碰巧撞见正在脱动力服的托尼，原本不赞成他冒生命危险的举动，但还是帮助托尼到奥比戴尔的电脑前窃取武器贩卖资料。而她刚好发现奥比达正在私下制造一套巨型动力服，以及他跟十环帮勾结的录影证据，立即将所有证据复制交给寇森。为了迅速取得动力服的供应能源，奥比达伏击在家的托尼，抢走他身上的反应堆心脏。托尼忍着虚弱及时换回原始的反应堆心脏而保住一命，当时已得知真相的罗德按照托尼的意思，指示军方战斗机无需干预。佩珀随着寇森去逮捕奥比戴尔时，奥比戴尔驾驶着他研制的动力服“铁霸王”冲出去。托尼到达后使出浑身解数与奥比达对打，但因受制原始反应堆心脏出力不断衰退而处于下风。在屋顶的决战中，托尼暗中让佩珀释放大型反应堆的能量，使站在屋顶边缘的奥比达直接被释出的高压电重创，最后连同动力服掉进反应堆中葬身火海。
托尼获救后得知媒体已经将身穿战甲的他取名为“钢铁侠”，并与佩珀一同感谢寇森的协助。接着他来到新闻发布会上本想利用军事演习为理由掩盖实情，但最后在演讲时选择放下手中的演讲稿，向众人公开他的钢铁侠身份。在片尾彩蛋中，神盾局局长尼克·弗瑞来到托尼家中，告诉托尼他并不是世界上唯一的“超级英雄”，并打算与他讨论一个《复仇者联盟方案》。