Tony Stark se remémore le nouvel an 1999 à Berne, il y évite avec arrogance le scientifique Aldrich Killian pour passer la nuit avec la chercheuse Maya Hansen. Killian aurait voulu qu'il travaille avec lui pour développer son entreprise, Advanced Idea Mechanics (AIM).

En décembre 2012, qui se passe quelques mois après les événements survenus dans Avengers, Stark s'est mis à construire avec obsession de nombreuses armures Iron Man durant ses nuits d'insomnie. Cet acharnement est à l'origine de tensions avec sa petite amie et présidente de Stark Industries, Pepper Potts, qui voit son compagnon ne trouver réconfort et sécurité qu'en portant une armure.

Une série d'attentats à la bombe revendiqués par le Mandarin, un terroriste britannique féru de culture chinoise, laissent le gouvernement américain impuissant qui confie à James Rhodes, dans l'armure de War Machine renommée Iron Patriot, la tâche de localiser le terroriste. Lorsque le chef de la sécurité de Stark Industries, Happy Hogan, est victime d'un de ces attentats, Stark défie le Mandarin par le biais des médias. La réponse du terroriste ne se fait pas attendre et la maison de Stark est détruite par des tirs d'hélicoptères. Potts et Hansen (cette dernière étant entretemps arrivée sur les lieux) survivent grâce à l'armure que Stark fait brièvement enfiler à Pepper. Après l'avoir récupérée une fois Pepper mise à l'abri, Stark parvient à s'échapper, mais il perd connaissance dans l'armure et Jarvis l'envoie dans le Tennessee suite à un malentendu. L'armure manque d'énergie pour retourner en Californie, laissant le doute sur la mort du milliardaire.
Iron Man 3 a été diffusé en Chine avec des scènes supplémentaires pour le public local.

Aux États-Unis, la sortie du film a été accompagnée d'une dispute entre Disney et les chaînes de cinéma sur leur part respective des revenus sur la vente de billets.