เรื่องราวภาคต่อที่คนทั่วโลกได้ทราบกันแล้วว่า มหาเศรษฐียอดนักประดิษฐ์อาวุธ โทนี่ สตาร์ค (แสดงโดย โรเบิร์ต ดาวน์นี่ย์) เปิดเผยตัวเองว่าเขาคือ ไอรอน แมน ซูเปอร์ฮีโร่ที่ช่วยปกป้องโลก เขาได้รับแรงกดดันจากทางรัฐบาล สื่อมวลชน และสาธารณชนต่างๆให้เปิดเผยเทคโนโลยีในการสร้างไอรอน แมน ให้กับกองทัพ แต่โทนี่เองกลับไม่ต้องการที่จะเผยความลับที่ซ่อนอยู่เบื้องหลังเกราะเหล็กนี้ เนื่องจากกลัวว่าเทคโนโลยีนี้จะตกไปอยู่ในมือของคนชั่ว มีเพียงสาวคนสนิท เพพเพอร์ พอทส์ (แสดงโดย กวินเนท พัลโทรว์) และเพื่อนตายอย่าง เจมส์ “โรดดี้” โรดส์ (แสดงโดย ดอน ชีเดล) เท่านั้นที่เห็นด้วยกับเขา โทนี่จึงพยายามคิดค้นพัฒนาชุดเกราะเหล็กขึ้นใหม่ เพื่อเตรียมรับมือกับศัตรูหน้าใหม่ที่กำลังจะปรากฏ

เมื่ออาชญากรตัวฉกาจ ทอร์นาโด ออกขโมยสมบัติในตำนานจากทั่วโลกรวมถึงเพชรพิงค์แพนเตอร์อันล้ำค่า ผบ.กองสืบสวนจึงตั้งกลุ่มนักสืบและผู้เชี่ยวชาญระดับนานาชาติเฉพาะกิจขึ้น โดยมีนักสืบจอมเปิ่นชาวฝรั่งเศส ฌากส์ คลูโซเป็นผู้นำ

เจ้าหน้าที่ซีไอเอแจ็ค ไรอันพยายามที่จะค้นหาสาเหตุที่นักวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ชาวรัสเซียหายตัวไปอย่างลึกลับในยูเครนโดยการติดต่อกับพวกนีโอนาซี