Thiên tài, tỉ phú và tay chơi Tony Stark là người thừa kế Tập đoàn Stark Industries chuyên nhận thầu quốc phòng từ cha mình. Tony bị gán với biệt hiệu tay chơi bởi anh là người vô cùng sành sỏi ở những khoản ăn chơi vô độ, bên cạnh việc lên giường với hàng tá cô gái, trong đó có cô phóng viên Christine Everhart của tạp chí Vanity Fair. Anh sang Afghanistan, đất nước đang bị tàn phá bởi chiến tranh cùng với Trung tá James Rhodes để giới thiệu một phát minh tên lửa mới có tên "Jericho". Sau buổi thuyết trình, đoàn hộ tống bị phục kích khiến Stark bị thương nặng bởi một vũ khí của địch là tên lửa của chính công ty anh. Stark bị bắt giam trong hang động của nhóm khủng bố Ten Rings. Tại đây Tony gặp Yinsen, người bạn cùng cảnh ngộ đã giúp gắn một nam châm điện vào ngực anh nhằm ngăn các mảnh vỏ lựu đạn còn sót lại đâm trúng tim. Raza, thủ lĩnh của Ten Rings, hứa sẽ trả tự do cho Tony với điều kiện anh phải thiết kế tên lửa Jericho cho chúng, nhưng cả Tony và Yinsen đều hiểu rằng Raza chắc chắn sẽ không giữ lời.

Stark và Yinsen bí mật chế tạo một máy phát điện nhỏ, được gọi là lò phản ứng hồ quang, nhằm cung cấp năng lượng điện từ cho bộ giáp tự chế để hỗ trợ việc trốn thoát. Mặc dù hai người đã giữ kín bộ giáp tới phút chót, bọn khủng bố Ten Rings vẫn phát hiện ra ý định này và tấn công vào khu xưởng của họ. Yinsen hi sinh để đánh lạc hướng chúng, giúp cho bộ giáp có thêm thời gian nạp đầy năng lượng. Trong bộ giáp do mình tự thiết kế, Stark chiến đấu thoát khỏi hang động và đi tìm Yinsen, lúc này đang trong cơn hấp hối và khuyên anh đừng phí thời gian của mình. Trong cơn tức giận anh đã thiêu rụi vũ khí của Ten Rings và bay ra khỏi hang, đâm xuống sa mạc và làm bộ giáp vỡ tan tành. Sau khi được Rhodes giải cứu, Stark trở về nhà và tuyên bố công ty của anh sẽ không sản xuất vũ khí nữa. Obadiah Stane, cựu đối tác của cha anh kiêm quản lý công ty khuyên Stark rằng ý định của anh có thể hủy hoại Tập đoàn Stark Industries cùng di sản của người cha quá cố. Ở phòng xưởng tại nhà, Stark bắt tay ngay vào việc chế tạo một bộ giáp mạnh mẽ hơn cũng như cả một máy phản ứng hồ quang hiệu quả hơn cho mình. Người phụ tá Pepper Potts đặt máy phản ứng hồ quang đầu tiên trong một hộp kiếng nhỏ. Mặc dù Stane đề nghị Stark công bố chi tiết công trình nhưng anh vẫn quyết định giữ riêng nó cho mình.

Tại một sự kiện từ thiện do Tập đoàn Stark Industries tổ chức, nữ phóng viên Christine Everhart đã tiết lộ cho Stark biết các vũ khí của công ty, bao gồm cả tên lửa Jericho mới vừa được trao cho Ten Rings sử dụng để tấn công Gulmira, quê của Yinsen. Stark cũng hay biết rằng Stane đang âm mưu thay thế anh trở thành lãnh đạo mới của công ty. Bực tức vì những tiết lộ này, Stark lập tức mặc áo giáp bay tới Afghanistan để giải cứu cho ngôi làng của Yinsen. Trong lúc bay về nhà, Stark bất ngờ bị hai phi cơ chiến đấu F-22 Raptor tấn công, buộc anh phải tiết lộ danh tính của mình với Rhodes qua điện thoại với hi vọng chấm dứt những cuộc công kích của chính phủ. Trong khi đó, Ten Rings thu thập lại các mảnh giáp vỡ từ bộ đồ nguyên mẫu mà Stark từng mặc và gặp Stane, kẻ sau đó đã giết chết Raza và chỉ huy các thành viên còn sống sót của nhóm này. Stane lúc này sở hữu bộ giáp mới đồ sộ nhờ kỹ nghệ đảo ngược từ các mảnh vỡ. Nhằm tìm kiếm các vũ khí khác mà công ty bàn giao cho Ten Rings, Stark đã cử Pepper hack hệ thống máy tính công ty từ văn phòng của Stane, và cô đã phát hiện ra Stane chính là kẻ cung cấp vũ khí cho Ten Rings và sai chúng giết Stark, dù chúng đã thất bại. Potts lập tức đi gặp đặc vụ Phil Coulson của S.H.I.E.L.D., một cơ quan chống khủng bố, để báo cáo tội ác của Stane. Không may thay, Stane phát hiện hành động của cô không lâu sau đó.

Do các nhà khoa học của Stane không thể phục chế lại lò phản ứng hồ quang của Stark nên Stane đã phục kích tại nhà anh để cướp nó đi. Stark đã dùng lò cũ để thay thế cho cái vừa mất. Trong khi Potts và các đặc vụ S.H.I.E.L.D. nỗ lực bắt Stane thì hắn vận bộ giáp và tấn công lại họ. Stark chiến đấu với Stane, nhưng bị áp đảo vì lò phản ứng cũ không được thiết kế để chiến đấu lâu dài. Cuộc chiến đưa Stark và Stane lên đỉnh tòa nhà Tập đoàn Công nghiệp Stark, trong lúc đó Stark hướng dẫn Potts bật quá tải lò phản ứng hồ quang lớn để cấp năng lượng cho tòa nhà. Một luồng điện khổng lồ được phóng thích khiến Stane và bộ giáp của hắn rơi vào lò phản ứng đang phát nổ và chết. Trong cuộc họp báo diễn ra ngày hôm sau, Stark, bất chấp lời đề nghị từ phía S.H.I.E.L.D., đã công khai xác nhận với trước công chúng rằng cái tên "Người Sắt" mà giới truyền thông gọi chính là mình.

Trong phân đoạn after-credit, Giám đốc S.H.I.E.L.D. Nick Fury đã đến thăm nhà Stark. Ông nói với Stark rằng Người Sắt không phải là "siêu anh hùng duy nhất trên thế giới" và giải thích rằng ông muốn thảo luận với anh về "Sáng kiến Avengers".