Железный человек 3 рассказывает о том, как привычный мир Тони Старка разлетается на осколки после серии дерзких атак загадочного террориста по прозвищу Мандарин. Лишившись особняка, лабораторий и большей части своих высокотехнологичных костюмов, гений оказывается в полной изоляции, в глуши, где его преследуют мучительные воспоминания о событиях в Нью-Йорке.
В фильме Железный человек 3 главный герой вынужден действовать на пределе своих возможностей, используя лишь обломки прежней жизни и собственную смекалку. Его цель — выследить организатора терактов, но по пути он сталкивается с тайнами, которые переворачивают его представление о враге. Параллельно Тони пытается защитить Пеппер Поттс, которая сама оказывается втянута в смертельно опасную игру.
В процессе расследования выясняется, что Мандарин — лишь ширма, а настоящая угроза скрывается в лабораториях, где проводятся эксперименты над людьми с использованием запрещенных технологий. Старк, оставшись без брони и союзников, должен проявить чудеса изобретательности, чтобы выжить и добраться до истины. Финальная битва разворачивается на заброшенной пристани, где гений, собрав временный арсенал из подручных средств, вступает в схватку с полчищами биороботов, чтобы спасти не только себя, но и единственного близкого человека.