Après un mystérieux accident, Tony Stark, vivant grâce à l'exosquelette qu'il a créé, a perdu son père et doit désormais vivre chez les Rhodes. Tandis qu'il assiste à son premier jour de cours, Tony apprend qu'il n'a plus accès à l'entreprise de son père, Stark International, maintenant sous le contrôle d'Obadiah Stane. Enfilant son armure, il décide d'aller espionner le nouveau PDG. Arrêtant un train hors de contrôle, Tony, dans son armure, se fait appeler désormais Iron Man.

Obadiah Stane a transformé les inventions de Tony en armes pour l'armée. Tony décide de les détruire. Parallèlement, le Mandarin cherche à récupérer les anneaux Mackluan. Sur cinq anneaux, il possède celui qu'il a trouvé et celui d'Howard Stark.

Gene Khan, alias le Mandarin, s'inscrit au lycée de Tony afin d'en apprendre plus sur les anneaux Mackluan. Le Mandarin, chef des Tongs, est en rivalité avec une autre société criminelle, la Maggia. Tony, Pepper et Gene se font capturer par la Maggia et ils demandent à voir le Mandarin. Gene ne peut révéler son identité et c'est à Rhodey de piloter l'armure Iron Man vers Tony pour qu'il puisse les arrêter.

Le père de Pepper, agent du FBI, est sur le point de trouver la cachette du Fixeur, un criminel. Mais il se fait blesser par Whiplash. Le Fixeur envoie alors Whiplash pour s'en prendre à Pepper et c'est à Iron Man de l'arrêter.

Un spationaute soviétique revient miraculeusement sur Terre, déterminé à se venger de l'équipage qui avait été contraint de l'abandonner dans l'espace.

Tony prend enfin conscience de l'importance de ses études. Parallèlement, Iron Man rencontre un nouvel ennemi, le Laser, dont il cause accidentellement la transformation

Alors qu'il s'est introduit dans la tour Stane, Iron Man voit ses batteries déchargées. Contraint de sortir en civil, il doit trouver un moyen de se réintroduire dans la tour sans l'aide de son armure, afin de la retrouver avant Stane.

Tony emmène ses amis explorer le temple où son père avait trouvé l'anneau, mais une épreuve de sagesse se déclenche, séparant le groupe. Tony revêt alors son armure tandis que Gene se transforme en Mandarin.

Tony est accosté par un représentant de l'AIM qui lui confie le développement d'une technologie de contrôle mental des machines. Cela conduit ses amis à être manipulés par l'AIM pour le tuer ainsi que Whitney.

Tony et ses amis ont la surprise de voir Stane s'attaquer à sa propre galerie d'art. Iron Man découvre bientôt qu'il s'agit d'une mystérieuse femme masquée qui est capable de prendre l'apparence de n'importe qui.

Alors que Rhodey s'inquiète de voir Tony trop s'occuper de son arsenal, Stane engage la Dynamo Pourpre pour l'affronter. Pepper, elle, est en pleine guerre des mascottes des équipes de basket de l'académie.

Avec l'aide de Tony, Gene trouve un nouvel anneau, mais active par mégarde l'épreuve du courage: une sorte de robot géant, que rien ne semble pouvoir arrêter, se met à la poursuite de l'anneau, confié provisoirement à Rhodey.

À la suite d'un combat contre Whiplash, l'armure d'Iron Man, récemment mise à jour, se met à agir de sa propre initiative. La jugeant dangereuse, Tony et Rhodey décident de la démonter, mais elle ne compte pas se laisser faire.

Alors qu'il veut empêcher une transaction entre l'AIM et un certain Moïse Magnum, Iron Man se retrouve face à face avec la Panthère noire, un justicier cherchant à venger la mort de son père.

Le Laser reprend forme dans une station spatiale du SHIELD, qu'il prend en otage. Iron Man, vêtu d'une armure adaptée, se rend sur le satellite, mais Nick Fury et ses agents insistent pour qu'il se tienne à l'écart.

Tony est filmé en train d'ouvrir le feu à une soirée. Il s'agit en fait de Madame Masque qui tente à sa façon de lui venir en aide, car un certain Fantôme aurait été engagé pour le tuer.

Alors que le Mandarin doit négocier la paix entre son clan et la Maggia, Pepper se retrouve malgré elle au beau milieu des négociations. Pour ne pas trahir son identité, le Mandarin va devoir faire intervenir Iron Man pour la sauver.

Le projet Pégase est infecté par un virus causant des dégâts matériels. L'héliporteur du SHIELD menaçant de s'écraser sur Terre, Tony est demandé à bord pour réparer les moteurs, conçus par son père.

Alors que Gene se remémore l'enfance qui l'a poussé à devenir le Mandarin, Tony trouve l'emplacement de l'anneau suivant dans un milieu assez inhospitalier. Ne pouvant attendre Gene, Tony, Rhodey et Pepper y vont sans lui, mais l'épreuve transforme Rhodey puis Pepper en créatures de magma. Le Mandarin, lui, se lance à la recherche de Tony.

L'état du Laser, enfermé dans la prison du SHIELD, se dégrade de plus en plus. Tony Stark, gêné par les erreurs de son père, se propose de l'aider. Le Fantôme en profite pour kidnapper le Laser, et Iron Man doit le retrouver avant qu'AIM ne se serve de son énergie pour le détruire.

Rhodey accepte à contrecœur d'essayer l'armure, se crashe et abandonne l'armure, découragé. Gene, Pepper, Happy et Whitney la trouvent, Happy l'essaie, va faire un tour et tombe sur des ennemis d'Iron Man. Tony et ses amis doivent neutraliser l'idiot de la classe avant qu'il ne fasse trop de bêtises.

La Team Iron Man doit gérer l'arrivée de Hulk à Manhattan, juste au moment où le Contrôleur refait surface.

Quand Whitney tombe gravement malade, victime des radiations de son équipement de Madame Masque, Stane est contraint de se tourner vers Tony, seul capable de la sauver.

Le dernier anneau localisé, le Mandarin passe à l’offensive, mais c'est Zhang qui reprend le pouvoir, kidnappant Gene et Tony.

Contraint de se transformer en Iron Man devant Gene pour sauver Pepper, Tony découvre que lui aussi cachait son identité secrète.