Film Iron Man membuka kisah Tony Stark, seorang industrialis jenius, playboy, dan filantropis yang mewarisi perusahaan kontraktor pertahanan Stark Industries dari ayahnya, Howard Stark. Bersama sahabat karibnya yang juga seorang perwira militer, James “Rhodey” Rhodes, Tony pergi ke Afghanistan yang dilanda perang untuk mendemonstrasikan rudal Jericho terbaru buatan perusahaannya. Namun, di tengah perjalanan, konvoi mereka disergap oleh kelompok teroris Sepuluh Cincin. Tony terluka parah akibat serangan rudal, yang ironisnya adalah senjata buatan perusahaannya sendiri. Ia kemudian ditawan dan disekap di dalam gua oleh kelompok teroris tersebut.
Di dalam gua, Tony bertemu dengan Yinsen, seorang dokter dan tahanan lain. Yinsen menyelamatkan hidup Tony dengan memasang sebuah elektromagnet di dadanya untuk mencegah serpihan peluru mencapai jantungnya. Raza, pemimpin Sepuluh Cincin, menawarkan kebebasan kepada Tony dengan imbalan pembuatan rudal Jericho untuk kelompok mereka. Namun, Tony dan Yinsen tidak percaya Raza akan menepati janjinya.
Alih-alih membuat rudal, Tony dan Yinsen secara diam-diam merancang sebuah reaktor energi kecil yang sangat kuat, disebut reaktor arc, untuk memberi daya pada elektromagnet di dada Tony dan juga untuk membangun prototipe baju zirah sebagai alat pelarian mereka. Meski usaha ini dirahasiakan, Sepuluh Cincin akhirnya mengetahui rencana mereka dan menyerbu bengkel tempat mereka bekerja. Yinsen mengorbankan dirinya untuk mengulur waktu agar baju zirah tersebut siap digunakan. Dengan baju zirah tersebut, Tony berhasil keluar dari gua dan menemukan Yinsen yang sekarat. Dipenuhi amarah, Tony membakar semua senjata Sepuluh Cincin sebelum terbang menjauh, namun akhirnya jatuh di padang pasir dan menghancurkan baju zirahnya.
Setelah diselamatkan oleh Rhodey, Tony kembali ke rumah dan membuat pengumuman mengejutkan bahwa Stark Industries akan menghentikan produksi senjata. Obadiah Stane, mitra lama ayahnya dan manajer perusahaan, memperingatkan Tony bahwa keputusan ini akan membawa Stark Industries ke jurang kebangkrutan dan merusak warisan ayahnya. Tidak menghiraukan peringatan Stane, Tony terus mengembangkan teknologi barunya di bengkel rumahnya. Ia menciptakan versi baju zirah yang lebih canggih dan kuat, serta reaktor arc yang lebih efisien untuk baju zirah dan dadanya. Pepper Potts, asisten pribadi Tony, menyimpan reaktor arc yang lama dalam sebuah kotak kaca kecil. Meskipun Stane terus mendesak untuk mengetahui detail pekerjaan Tony, Tony yang mulai curiga memilih untuk merahasiakannya.
Pada sebuah acara amal, seorang reporter bernama Christine Everhart memberitahu Tony bahwa senjata perusahaannya baru-baru ini dikirim ke Sepuluh Cincin dan digunakan untuk menyerang desa asal Yinsen. Merasa bertanggung jawab, Tony mengenakan baju zirah barunya dan terbang ke Afghanistan. Di sana, ia berhasil mengalahkan para teroris dan menyelamatkan penduduk desa. Saat terbang kembali ke Amerika Serikat, Tony dicegat oleh Angkatan Udara Amerika Serikat. Untuk menghentikan serangan, Tony mengungkapkan identitas rahasianya kepada Rhodey melalui telepon.
Sementara itu, Sepuluh Cincin mengumpulkan sisa-sisa prototipe baju zirah Tony dan bertemu dengan Stane. Terungkap bahwa Stane telah lama melakukan perdagangan senjata ilegal dengan Sepuluh Cincin dan merencanakan kudeta untuk menggantikan Tony sebagai CEO Stark Industries dengan menyewa Sepuluh Cincin untuk membunuhnya. Namun, Stane berkhianat dan membunuh Raza dan anggota Sepuluh Cincin lainnya setelah mendapatkan apa yang diinginkannya. Stane kemudian memerintahkan para ilmuwannya untuk merekayasa balik baju zirah Tony menjadi baju zirah raksasa untuk dirinya sendiri.
Curiga dengan pengiriman ilegal perusahaannya, Tony meminta Potts untuk meretas database Stark Industries. Potts menemukan bukti bahwa Stane yang menyewa Sepuluh Cincin untuk membunuh Tony, namun kelompok teroris tersebut mengubah rencana mereka ketika menyadari bahwa mereka memiliki akses langsung ke senjata Stark. Potts kemudian menghubungi Agen Phil Coulson dari S.H.I.E.L.D., sebuah badan intelijen, untuk melaporkan aktivitas Stane.
Ilmuwan Stane gagal mereplikasi reaktor arc miniatur buatan Tony. Putus asa, Stane menyusup ke rumah Tony, melumpuhkannya, dan mencuri reaktor arc dari dadanya. Tony berhasil bertahan hidup dengan menggantinya dengan reaktor arc lamanya. Potts dan agen S.H.I.E.L.D. berusaha menangkap Stane, namun Stane mengenakan baju zirahnya dan dengan mudah melumpuhkan mereka. Tony melawan Stane, namun ia kalah karena reaktor lamanya tidak dapat memberikan daya yang cukup untuk baju zirahnya. Pertarungan sengit membawa mereka ke puncak gedung Stark Industries. Di sana, Tony menginstruksikan Potts untuk membebani reaktor arc besar yang menyuplai daya gedung. Tindakan ini menghasilkan lonjakan listrik dahsyat yang menyebabkan Stane jatuh ke dalam reaktor dan tewas dalam ledakan.
Keesokan harinya, dalam konferensi pers, Tony secara terbuka mengakui bahwa dirinya adalah pahlawan super yang dijuluki pers sebagai “Iron Man”.
Dalam adegan pasca-kredit, Direktur S.H.I.E.L.D., Nick Fury, mengunjungi Tony di rumahnya dan memberitahunya bahwa ia telah menjadi bagian dari “alam semesta yang lebih besar,” dan ingin membahas “Inisiatif Avengers”.
