Iron Man 3, New York Savaşı'nın ardından Tony Stark'ın yaşadığı travma sonrası stres bozukluğunu ve bu durumun onu nasıl etkilediğini merkezine alır. Artık uyku problemleri çeken ve sürekli zırhlarına sığınan Tony, terör örgütü Mandarin'in yükselişiyle yeni bir tehditle karşı karşıya kalır. Mandarin, dünya çapında korku salan ve arkasında patlamalar bırakan gizemli bir düşmandır.
Mandarin'in saldırıları Tony'nin kişisel dünyasına da sıçrar. Laboratuvarı ve evine yapılan bir saldırının ardından Tony, zırhlarından mahrum bir şekilde hayatta kalmaya ve bu yeni düşmanı durdurmaya çalışır. Bu süreçte, sadece fiziksel gücüne değil, aynı zamanda zekasına ve yaratıcılığına güvenmek zorunda kalır. Kendisini bir komplo ağının içinde bulan Tony, Mandarin'in gerçek kimliğini ve ardındaki gizli planları çözmeye çalışır.
Film, Tony Stark'ın sadece bir süper kahraman değil, aynı zamanda savunmasız bir insan olduğunu gözler önüne serer. Kendi korkularıyla yüzleşirken, Pepper Potts ve genç bir çocuğun yardımıyla ayakta kalmaya çalışır. Iron Man 3, aksiyonun yanı sıra Tony'nin kişisel gelişimine ve insan yönüne odaklanarak, onu en zorlu sınavlarından birine sokar.
Tony Stark, tüm dünyaya Iron Man olduğunu açıklamasının ardından büyük bir üne kavuşmuştur. Ancak bu şöhret, beraberinde yeni sorunları da getirir. Hükümet, Iron Man zırhının sırlarını ele geçirmeye çalışırken, Tony'nin kendisi de zırhın yarattığı palladium zehirlenmesiyle mücadele etmektedir. Zamanı daralan Tony, hem hayatını kurtaracak bir çözüm bulmak hem de zırhının teknolojisinin kötü ellere geçmesini engellemek zorundadır.
Bu sırada, babasının Iron Man'in babası Howard Stark ile geçmişten gelen bir husumeti olan Ivan Vanko (Whiplash) adında dahi bir Rus bilim insanı ortaya çıkar. Vanko, Stark ailesinden intikam almak için kendi teknolojisini kullanarak Tony'nin karşısına dikilir. Öte yandan, Tony'nin rakibi silah tüccarı Justin Hammer da Vanko ile iş birliği yaparak Iron Man'e benzer zırhlı askerler yaratmaya çalışır.
Tony, hem içeriden gelen tehlikelerle (kendi sağlığı) hem de dışarıdan gelen tehditlerle (Vanko ve Hammer) mücadele ederken, en yakın dostu James Rhodes (War Machine) ve sadık asistanı Pepper Potts'un yardımıyla bu zorlu sınavdan geçmeye çalışır. Film, Tony Stark'ın kişisel mücadelesini, yeni düşmanlarla yüzleşmesini ve Iron Man olarak üstlendiği sorumlulukları daha derinlemesine işliyor.
Milyarder sanayici ve dahi mucit Tony Stark, kendi silah şirketinin tanıttığı yeni füzeleri test etmek üzere Afganistan'a gider. Ancak saldırıya uğrar ve esir alınır. Bir mağarada rehin tutulurken, göğsüne şarapnel parçaları saplanır ve kaçırılmadan kurtulmak için ilkel ama güçlü bir zırh geliştirmek zorunda kalır. Esaretten kurtulan Stark, hayatının değiştiğini fark eder. Kendi silahlarının yıkıcı gücüne tanık olduktan sonra, şirketinin üretimini durdurmaya karar verir.
Bu kararı onu yönetim kuruluyla karşı karşıya getirir. Bir yandan da geliştirmiş olduğu zırhı daha modern ve güçlü bir hale getirmek için gizlice çalışmalara başlar. Kendi tasarladığı ileri teknoloji zırhıyla Iron Man'e dönüşen Tony, artık sadece bir iş adamı değil, aynı zamanda dünyayı koruyan bir süper kahramandır. İlk görevi ise kendi silahlarının yanlış ellere geçmesini engellemek ve terörle mücadele etmektir. Ancak bu süreçte, en yakınındaki isimlerden biri olan iş ortağı Obadiah Stane'in karanlık planlarını da açığa çıkarır.
