Події "Залізної людини 3" відбуваються після подій "Месників", де Тоні Старк, відомий як Залізна людина, бореться з посттравматичним стресовим розладом. Могутній терорист на ім'я Мандарин починає царство терору, націлившись на Сполучені Штати зі смертоносними бомбардуваннями. Особисте життя Старка також страждає, оскільки його стосунки з Пеппер Поттс стають напруженими. Коли друг і колишній охоронець Старка, Хеппі Хоган, отримує важкі поранення під час однієї з атак Мандарина, Старк оголошує терористу війну і публічно кидає йому виклик. Однак Мандарин у відповідь здійснює напад на будинок Старка, залишаючи його без костюма Залізної Людини і вважаючи його загиблим. Старк опиняється в маленькому містечку, де він об'єднується з хлопчиком на ім'я Харлі, щоб розслідувати походження Мандарина. Вони з'ясовують, що Мандарин - це просто актор на ім'я Тревор Слеттері, яким керує Олдріч Кілліан, вчений, що розробив потужну регенеративну сироватку під назвою "Екстреміс". Кілліан планує використати сироватку для створення армії суперсолдатів. За допомогою свого вірного друга полковника Джеймса Родса (відомого як Бойова Машина/Залізний Патріот) та особистого штучного інтелекту J.A.R.V.I.S., Старку вдається відновити свої костюми та протистояти Кілліану. В епічній битві Старк виходить переможцем, перемагаючи Кілліана і знищуючи його армію Екстреміс. Переживання Старка протягом фільму допомагають йому подолати свою тривогу, і він вирішує знищити свої костюми, зосередившись на більш особистому житті з Пеппер. Однак у сцені після титрів виявляється, що Старк ще не повністю відійшов від ролі Залізної Людини.