Tony Stark, Iron Man olarak bilinen süper kahraman kimliğini sürdürmekte ve dünyayı tehdit eden kötülükleri önlemektedir. Ancak, New York'taki olaylardan sonra travmatize olmuş ve uykusuzluk çekmeye başlamıştır. Aynı zamanda, geçmişte yaptığı düşmanlarının intikam almak isteyeceği endişesiyle mücadele etmektedir.
Aynı dönemde, Terörist lider Mandarin tarafından yönetilen bir dizi bombalı saldırı düzenlenmektedir. Bir saldırı sırasında eski yakın arkadaşı Happy Hogan yaralanır. Bu olay, Tony'yi meydan okumaya teşvik eder. Mandarin'in izini sürerken, Stark Industries'in yeni projesi Extremis adlı deneysel bir teknoloji üzerine de rastlar. Bu teknoloji insanları süper güçlere sahip varlıklara dönüştürebilirken, aynı zamanda tehlikeli yan etkilere de yol açmaktadır.
Tony, Mandarin'in arkasındaki gerçeği çözmeye çalışırken Extremis teknolojisini anlamaya başlar. Ayrıca, onunla birlikte çalışan bilim insanı Maya Hansen ile tanışır. Tony, Mandarin'i yakalayarak adaleti sağlamak için Extremis teknolojisi ve kendi zekasıyla planlar yapar.
Ancak hikaye ilerledikçe, Mandarin'in gerçek kimliği ve olayların arkasındaki gerçek tehditler açığa çıkar. Tony'nin Extremis teknolojisi ve Mandarin'in planlarıyla mücadelesi, sonunda Iron Man'in güçlü ve yaratıcı yönlerini bir araya getirerek büyük bir finale yol açar.
Filmin sonunda, Tony Stark özgün Iron Man takım elbisesini yok eder ve Iron Man olmadan da kahraman olabileceğini fark eder. Aynı zamanda, düşmanlarını alt etmek için yaratıcı çözümler üretebileceğini ve süper güçlere ihtiyaç duymadan da insanüstü bir kahraman olabileceğini anlar.
Iron Man 3, Tony Stark'ın kişisel gelişimi ve kahraman kimliği üzerine odaklanan bir hikaye sunarken aksiyon ve macerayı da bir araya getiren bir süper kahraman filmidir.