Iron Man 3, sebuah babak penting dalam perjalanan Tony Stark setelah peristiwa di New York yang mengubah hidupnya. Film ini membawa kita lebih dalam ke sisi personal Tony, di mana ia tidak hanya berhadapan dengan musuh dari luar, tetapi juga pergolakan batin yang menghantuinya.
Kisah bermula pada malam tahun baru 1999, saat Tony Stark bertemu dengan Maya Hansen, seorang ilmuwan yang memperkenalkan Extremis, sebuah teknologi regeneratif revolusioner. Di momen yang sama, Aldrich Killian, ilmuwan lain dengan keterbatasan fisik, menawarkan kerjasama pada mereka, namun ditolak oleh Stark. Tiga belas tahun kemudian, Tony Stark, yang kini dikenal sebagai Iron Man, bergumul dengan trauma pasca-invasi alien di New York. Serangan panik menjadi teman sehari-harinya, membuatnya menciptakan puluhan kostum Iron Man baru sebagai pelarian dari insomnia. Obsesi ini tentu saja menimbulkan ketegangan dalam hubungannya dengan Pepper Potts.
Situasi semakin memanas ketika serangkaian serangan bom terjadi, diklaim dilakukan oleh seorang teroris misterius bernama Mandarin. Happy Hogan, kepala keamanan Stark, menjadi salah satu korban serangan tersebut dan mengalami koma. Kemarahan Tony memuncak, dan ia mengirimkan ancaman terbuka kepada Mandarin melalui televisi, tanpa sadar memberikan alamat rumahnya. Mandarin merespon dengan mengirimkan helikopter bersenjata untuk menghancurkan kediaman Stark. Maya Hansen, yang datang untuk memperingatkan Tony, selamat dari serangan bersama Pepper. Tony sendiri berhasil melarikan diri dengan kostum Iron Man eksperimental yang dikendalikan oleh J.A.R.V.I.S., menuju Tennessee berdasarkan petunjuk dari investigasinya terhadap Mandarin. Kostum baru ini belum sempurna dan kekurangan daya untuk kembali ke Malibu, membuat dunia mengira Tony Stark telah tewas.
Di Tennessee, Tony bertemu dengan Harley Keener, seorang anak laki-laki cerdas yang membantunya. Bersama Harley, Tony menyelidiki sisa-sisa ledakan lokal yang memiliki ciri khas serangan Mandarin, meskipun terjadi jauh sebelum kemunculan Mandarin. Ia menemukan bahwa “bom” tersebut sebenarnya adalah efek dari tentara yang terpapar Extremis, di mana tubuh mereka menolak pengobatan dan meledak. A.I.M. kemudian memanipulasi kejadian ini menjadi serangan teroris untuk menutupi kegagalan Extremis. Tony menyaksikan sendiri kekuatan Extremis saat agen Mandarin, Savin dan Brandt, menyerangnya. Tony berhasil melumpuhkan Savin dan membunuh Brandt. Sementara itu, Killian muncul kembali dan menculik Pepper dengan bantuan Hansen. Agen intelijen Amerika terus mencari keberadaan Mandarin, dan James Rhodes, yang kini dikenal sebagai Iron Patriot, terjebak dalam perangkap untuk mencuri kostumnya.
Mengikuti jejak Mandarin ke Miami, Tony menyusup ke markasnya dengan senjata improvisasi. Di sana, ia menemukan fakta mengejutkan bahwa Mandarin hanyalah seorang aktor Inggris bernama Trevor Slattery, yang tidak tahu menahu tentang aksi terorisme yang menggunakan namanya. Namun, Killian kemudian menangkap Tony dan mengungkapkan bahwa ia telah menyuntikkan Extremis ke Pepper dengan harapan Tony akan membantunya memperbaiki kekurangan Extremis sambil menyelamatkan Pepper. Ketika Hansen mengkhianati Killian karena mengancam operasinya, Killian membunuhnya.
Tony berhasil melarikan diri dan bertemu kembali dengan Rhodes. Mereka menyadari bahwa Killian berencana menyerang Presiden Ellis di Air Force One menggunakan kostum Iron Patriot yang dikendalikan oleh Savin. Tony berhasil membunuh Savin dan menyelamatkan penumpang serta awak pesawat, namun gagal mencegah Killian menculik Presiden Ellis. Di sebuah anjungan minyak yang rusak, Killian berencana mengeksekusi Presiden Ellis secara langsung di televisi. Wakil Presiden akan dijadikan pemimpin boneka yang mengikuti perintah Killian, sebagai imbalan atas penyembuhan putrinya yang cacat melalui Extremis. Tony dan Rhodes menyusup ke anjungan minyak, dibantu oleh kostum Iron Man yang dikendalikan jarak jauh oleh J.A.R.V.I.S. Rhodes mengamankan Presiden, sementara Tony menemukan Pepper selamat dari prosedur Extremis. Namun, anjungan minyak runtuh dan Pepper jatuh ke platform, terlihat tewas. Tony bertarung dengan Killian dan terdesak. Killian mengungkapkan bahwa ia adalah Mandarin yang sebenarnya, menggunakan Slattery sebagai pengalih perhatian. Killian memanfaatkan penelitian Extremis Hansen untuk menyembuhkan dirinya sendiri dan memperluas program ini untuk veteran perang yang terluka. Tiba-tiba, Pepper muncul, kekuatan Extremis membuatnya selamat dari kejatuhan, dan ia berhasil membunuh Killian untuk menyelamatkan Tony.
Sebagai bukti cintanya pada Pepper, Tony memerintahkan J.A.R.V.I.S. untuk menghancurkan semua kostum Iron Man-nya. Wakil Presiden dan Slattery ditangkap, dan Happy terbangun dari koma. Dengan bantuan Tony, efek Extremis pada Pepper berhasil distabilkan. Tony berjanji untuk mengurangi perannya sebagai Iron Man, menjalani operasi untuk mengangkat serpihan peluru di dekat jantungnya, dan membuang reaktor busur dada lamanya ke laut. Meskipun tanpa teknologi, Tony menyadari bahwa ia akan selalu menjadi Iron Man.
