载人火星探险任务即将结束，探险队剩最后一天就要返回。但其中一人却心有不甘，决定留下来，寻找能证明火星生命存在的证物。重大发现出现在眼前，但悲剧也随之发生了，地表塌陷，他掉入了不明深渊。科学家们留下来，拯救他们的同事。然而，又有人消失了，难道他们发现的火星生命真的存在？

　　自纽约事件以来，托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰）为前所未有的焦虑症所困扰。他疯狂投入钢铁侠升级版的研发，为此废寝忘食，甚至忽略了女友佩珀·波茨（格温妮斯·帕特洛 Gwyneth Paltrow 饰）的感受。与此同时，臭名昭著的恐怖头目曼达林（本·金斯利 Ben Kingsley 饰）制造了一连串的爆炸袭击事件，托尼当年最忠诚的保镖即在最近的一次袭击中身负重伤。未过多久，托尼、佩珀以及曾与他有过一面之缘的女植物学家玛雅（丽贝卡·豪尔 Rebecca Hall 饰）在家中遭到猛烈的炮火袭击，几乎丧命，而这一切似乎都与22年前那名偶然邂逅的科学家阿尔德里奇·基连（盖·皮尔斯 Guy Pearce 饰）及其终极生物的研究有关。
　　即使有精密先进的铠甲护身，也无法排遣发自心底的焦虑。被击碎一切的托尼，如何穿越来自地狱的熊熊烈火……

　　进入正化年间（始自1989年），为了改善混乱堕落的社会风气，日本政府颁布《媒体良化法》，并成立特殊部门对所有可能影响世人身心健康的书籍进行查封与销毁。可与此同时，言论自由也遭到粗暴遏制和打压。为了捍卫自由思想，名为“图书馆自卫组织图书队”的组织应运而生，他们为了保护书籍拿起武器，许多人为此献出生命。高中时代曾被视为“王子大人”的图书队员相助，热血女孩笠原郁（荣仓奈奈 饰）决意加入图书队，可是负责训练她的二等图书正堂上笃（冈田准一 饰）似乎总有意刁难笠原，而女孩依旧凭借自己的努力成为一名图书特殊部队成员。在接下来的日子里，笠原和堂上教官、同期手冢光（福士苍汰 饰）的友情和信任日益加深。未过多久，左右言论自由的重大事件到来，图书队和媒体良化队宿命的战争拉开大幕……
　　本片根据有川浩的“图书馆系列”的第一部改编。

　　斯塔克公司最新研制的天幕卫星“霍华德”即将升空，它超强的监视功能饱受争议。而托尼·斯塔克则饶有兴致地与战争机器詹姆士·罗德穿着各自的铠甲进行连番惊险刺激的较量。就在此时，号称“突击兵”的武装机器人入侵发射场，与钢铁侠和战争机器展开激烈的混战。而指挥部方面，一名自称以西结的神秘白色铠甲人释放出神秘生物细胞，杀害了所有眼前的生物。钢铁侠在与他的对决中遭遇惨败，指挥塔也彻底毁灭。在此之后，他拒绝向神盾局汇报细节，独自一人找到正在休假的佩珀·波茨，一同调查以西结的身份及其真实目的。
　　一方面，神盾局对斯塔克紧追不放；另一方面，来自暗处的敌人也接二连三向他袭来……