Iron Man 2:ssa maailmalle on selvinnyt, että miljardöörikeksijä Tony Stark (Downey Jr.) on panssaroitu supersankari Iron Man. Hallitus, lehdistö ja yleisö painostaa häntä jakamaan keksintönsä armeijan kanssa, mutta Tony on vastahakoinen paljastamaan Iron Manin panssarin salat, koska hän pelkää tietojen livahtavan vääriin käsiin. Pepper Potts (Paltrow) ja James "Rhodey" Rhodes (Cheadle) rinnallaan Tony solmii uusia liittoutumia ja kohtaa vahvoja uusia vastustajia.