O mundo não foi mais o mesmo depois da batalha de Nova Iorque, alienígenas invadindo o planeta, os heróis mais poderosos da terra se reunindo pela primeira vez e Tony Stark (Robert Downey Jr.) tendo que atravessar um buraco de minhoca para impedir a detonação de míssil.
Conviver com stress pós traumático disso tudo se tornou um desafio para o Homem de Ferro.
Ele resolveu fazer o que faz de melhor e caiu de cabeça no trabalho para desenvolver 35 versões da sua armadura para tentar controlar a ansiedade e o medo de novas ameaças.
Só que as ameaças nem sempre vem do espaço, elas estão na politica externa ou esquecidas no passado.
Enquanto os Estados Unidos veem uma escalada de atentados terroristas liderados pelo terrível líder da facção dos 10 anéis, o Mandarim (Ben Kingsley).
Os ataques em solo americano acabam encontrando o caminho do Homem de Ferro quando o seu segurança Happy Hogan (Jon Favreu) acaba sendo gravemente ferido em uma das explosões.
Tony, ainda mais abalado desafia o terrorista a enfrenta-lo em sua própria mansão em malibu.
Sua casa é bombardeada ele por pouco consegue salvar Pepper Potts (Gwyneth Paltrow) e a si mesmo.
Enquanto, todos dão o gênio e bilionário como desaparecido ele se isola numa cidade do interior e lá começa a entender o que está por traz da organização terrorista e com ajuda do garoto Harley Keener (Ty Simpkns) ele lembra o que ele faz de melhor: consertar as coisas.
Enquanto isso, O Tenente Coronel James Rhodes (Don Cheadle) ganhou uma atualização de sua armadura, agora chamada de Patriota de Ferro, se tornando uma das principais peças do governo americano contra a escalada terrorista.
Só que a chave para encontrar o Mandarim, estava no passado, na noite do Reveillon do ano 2000 quando Tony Stark no meio de um encontro com a botânica Maya Hansen (Rebeca Hall) foi apresentado a nova tecnologia conhecida como Extremis. E antes disso ignorou o promissor cientista da Ideias Mecânicas Avançadas, Aldrich Killian (Guy Pearce) . Ambos se uniram depois e desenvolveram o projeto que permitia a reconstrução de membros amputados em veteranos de guerra e lhes dava habilidades especiais e em alguns casos efeitos colaterais.
A terceira aventura do ferroso tenta fechar uma trilogia, encerrar um ciclo promissor iniciado em 2008.
Apesar de algumas dicas deixadas no filme é difícil imaginar esse universo cinematográfico Marvel sem o Homem de Ferro. Este é o único filme da trinca que não tem expansão do universo como fãs tanto ansiavam. A ação do longa é centrada no personagem título e na tentativa de encerrar seu ciclo e abrir espaço para outros vários heróis do panteão Marvel que aguardam ansiosamente sua chegada nesse mundo.