Мільярдер-зброяр, талановитий винахідник, плейбой і філантроп Тоні Старк все життя вів майже безтурботне існування, створюючи різне озброєння і устаткування для потреб американської армії. Тоні вирушає до Афганістану на демонстрацію нової розробки зі своїм другом підполковником Джеймсом Роудс. Після чергового показу свого нового зброї - ракети «Єрихон» - на що перевозив його конвой нападає терористична організація «Десять кілець». Під час атаки на конвой Старк отримує важке поранення: в його груди потрапляють осколки від снаряда. Від великих осколків вдається позбутися, але найдрібніші як і раніше можуть потрапити в серце. Інший заручник - учений Інсен рятує життя Тоні, вставляючи електромагніт, з'єднаний з акумулятором, який відтягує осколки від серця. Терористи в обмін на свободу вимагають зібрати їм ракету «Єрихон».
Розуміючи, що терористи не відпустять їх просто так, вони починають створювати замість ракети важку броню, за допомогою якої вони можуть втекти. Під час створення броні Старк робить портативний реактор, заснований на холодному термоядерному синтезі і є дешевим, але дуже потужним джерелом енергії. Цей реактор є «серцем» для броні і замінює Старку акумулятор, що живить вставлений в груди електромагніт. Скориставшись можливістю, Тоні, надівши броню, починає бій, намагаючись пробратися до виходу. Інсен жертвує собою, вийшовши до терористів і стріляючи в них з метою відвернути увагу і виграти час для Старка (щоб його реактор встиг підзарядитися повністю). Відчув свою провину і нерозуміння, Тоні починає знищувати всі запаси зброї терористів, яке, як виявилося, створено його ж компанією.
Опинившись на волі, він повертається на батьківщину і оголошує на прес-конференції про припинення всього військового виробництва, через якого гинуть невинні люди. Ця заява не подобається вірному другові і соратнику його батька - Обадайя Стейну. Він починає підозрювати, що Тоні щось задумав. На прес-конференції агент Щ.И.Т. Філ Колсон домовляється з помічницею Старка Пеппер Поттс про зустріч. В цей час Тоні Старк винаходить новий, більш технологічний і комп'ютеризований бойової костюм (Марк II). Також він створює собі новий реактор, так як перший уже «відслужив своє». Від старого реактора він вирішує позбутися, але Пеппер вирішує його зберегти, так як він захистив її начальника від смерті.
Тоні відчуває свою першу броню нового покоління, але вона не дозволяє йому злітати високо через обмерзання, тоді Старк збирає нову броню зі сплаву титану і золота (Марк III).
Поки броня збирається, він відвідує благодійний вечір, організований на честь допомоги сім'ям пожежних, на який його «забули» запросити, де дізнається, що хтось все ще постачає терористам зброю «Старк Індастріз», а також що саме Обадайя затіяв його відсторонення з поста директора компанії.
Тим часом терористи знаходять в пустелі стару, вже зруйновану броню Старка, за допомогою якої Тоні і втік. Зібравши броню за рештою кресленнями Старка, терористи мають намір домовитися з Обадайя про обмін: натомість він повинен буде надати більш досконалі моделі броні в майбутньому. За допомогою паралізатора Обадайя обманює їх і краде броню. На основі даної моделі Обадайя створює свій варіант броні, але навіть найкращі його вчені не можуть відтворити реактор, без якого броня не зможе запуститися, оскільки в жодного з акумуляторів не вистачить енергії на її роботу.
Тоні бачить по телевізору жорстоку розправу над жителями містечка Гульмира (рідне місто Інсена), влаштовану «Десятьма кільцями» в Афганістані їм же створеним зброєю. Він відправляється в Афганістан, щоб знешкодити терористів. У підсумку йому вдається зупинити одного з ватажків і врятувати місцевих жителів. По дорозі назад його починають переслідувати два літака ВПС США (F-22 Raptor), і тоді Тоні розповідає Роуди, що він Залізна людина. Але ситуацію це не рятує, і гонитва триває. Тоні випадково відриває одному літаку крило і рятує пілота, у якого не розкривався парашут.
Тоні просить Пеппер з'ясувати, хто торгує з терористами зброєю «Старк Індастріз». В офісі компанії Пеппер зламує комп'ютер Обадайя і дізнається, що це він заплатив за викрадення Тоні. Скопіювавши докази, вона передає їх агенту Колсон, який хотів обговорити з нею обставини втечі Тоні.
З'явившись до дому Тоні, Обадайя паралізує його все тим же пристроєм і краде реактор, залишаючи Тоні вмирати. Однак, Тоні рятує старий реактор, який зберегла Пеппер. Одягнувши його разом зі своїм костюмом, він вирушає рятувати Пеппер, яка вирушила заарештовувати Обадайя разом з агентами Щ.И.Т. Тоні Старк вступає в сутичку з Обадайя Стейном, теж одягненим в броню. Після тривалої битви на шосе, вони обидва спрямовуються в повітря, але на великій висоті через обмерзання у костюма Стейна відмовляють всі системи, а у Старка стрімко закінчується запас енергії в реакторі. На даху будівлі, в якому знаходиться великий реактор ХТС, Обадайя намагається вбити Старка. У той же час Пеппер, за вказівкою Тоні, включає всі навантаження реактора на максимум, ніж провокує потужний електромагнітний імпульс. Обадайя Стейна цей імпульс вбиває, а Старк в останній момент переховується на безпечній відстані.
На наступний ранок газети вже дали прізвисько новому герою: «Залізна людина». Агент Колсон вручає Тоні і Пеппер документи, що підтверджують алібі Старка для преси, який нібито провів весь час на своїй яхті в компанії гостей, а «Залізна людина» і зовсім є особистим охоронцем Тоні Старка. На прес-релізі Старк спочатку заперечує свою причетність до подій на шосе і даху, але потім несподівано для всіх заявляє: «Я - Залізна людина».
Багато хто подумав, що Залізна людина вже скінчився, але в сцені після титрів показано, як Тоні Старка будинку відвідує командир Щ.И.Т. Нік Ф'юрі і пропонує обговорити з ним програму про створення команди супергероїв -Мстітелей.