《钢铁侠3》的剧情发生在《复仇者联盟》纽约大战之后，托尼·斯塔克的生活因一系列威胁而陷入混乱。他受到神秘恐怖头目“曼达林”的连番袭击，家人和挚友均面临生命危险。托尼的豪宅在爆炸中受损，他几乎失去了一切，包括他视为安全屏障的高科技装备。

在绝境中，托尼依靠自己的才智和创造力，重新设计和升级了钢铁战衣，同时也在内心深处与焦虑症作斗争。在追踪“曼达林”的过程中，他发现了惊人的真相：真正的幕后黑手其实是科学家阿尔德里奇·基连，他研发了一种名为“极限生物治疗”的技术，企图利用这种技术创造超级战士，却导致了严重的副作用和灾难。

托尼与阿尔德里奇展开了一场高科技与智慧的较量，期间他还得到了女植物学家玛雅和军方英雄“铁甲战士”的帮助。最终，在经历了一系列紧张刺激的战斗后，托尼成功揭露了阿尔德里奇的真面目，并阻止了“极限生物治疗”技术的进一步扩散，保护了自己所爱的人和世界的安宁。影片以托尼重新找回自我和英雄身份作为圆满结局。