Berikut ini adalah alur cerita Film Action Iron Man 3.
Suatu ketika setelah peristiwa The Avengers, Tony Stark membuat beberapa baju Iron Man di rumahnya. Hobinya itu memunculkan perselisihan dengan kekasihnya, pimpinan Stark Industries yang baru Pepper Potts. Dalam kilas balik ke Tahun Baru 1999, Stark dan ilmuwan Maya Hansen dengan sombong menghindari ilmuwan Aldrich Killian yang meminta bantuan Stark untuk mengembangkan usahanya, Advanced Idea Mechanics.
Di Amerika Serikat masa kini, serangkaian pengeboman yang dilakukan teroris Mandarin memusingkan para agen intelijen karena tidak adanya bukti forensik. Setelah kepala keamanan Stark Industries Happy Hogan menjadi korban salah satu serangannya, Stark bangkit dan mengancam Mandarin lewat televisi. Mandarin menanggapi dengan menghancurkan rumah Stark menggunakan helikopter bersenjata. Potts dan Hansen, yang datang untuk memperingatkan Stark, selamat dari serangan itu. Begitu pula Stark yang baru sadar dirinya berada di pedesaan Tennessee setelah program kecerdasan buatan JARVIS melaksanakan rencana penerbangan yang ia susun sebelumnya untuk melacak Mandarin. Tenaga baju tempur uji coba milik Stark tidak cukup untuk pulang ke California, sehingga dunia meyakini Stark tewas.
Bersama Harley, bocah berusia 10 tahun yang serba ingin tahu, Stark menyelidiki sisa-sisa ledakan di kota itu yang mirip dengan serangan Mandarin di Los Angeles. Ia menemukan bahwa ledakan tersebut dilakukan oleh tentara dari program Extremis, uji coba yang memungkinkan penggunanya pulih dari cedera parah. Akan tetapi, jika metabolisme tubuh pengguna tidak mampu menyerap Extremis, tubuhnya akan panas dan meledak. Setelah para veterannya mulai tidak stabil dan meledak, kematian mereka dipakai untuk menutupi kegagalan Extremis dengan menyusun plot teroris. Stark pertama kali melihat Extremis ketika agen Mandarin, Ellen Brandt dan Eric Savin, menyerangnya.
Atas bantuan Harley, Stark melacak Mandarin hingga Miami. Stark menyusup ke kantor pusat menggunakan berbagai senjata rakitan. Di sana ia mengetahui bahwa Mandarin sebenarnya aktor asal Britania bernama Trevor Slattery yang tidak sadar dengan aksi-aksi Mandarin. Mandarin sebenarnya adalah imajinasi Killian. Killian memakai penelitian Extremis-nya Hansen sebagai obat keterbatasannya dan mengembangkan program tersebut agar bisa dimanfaatkan veteran-veteran perang yang terluka. Killian mengungkap bahwa ia telah menculik Potts dan memasukkannya ke program Extremis dengan tujuan memberikan Potts kemampuan super dan melawan Stark agar Killian mendapat bantuan Stark untuk memperbaiki kekurangan Extremis.
Killian juga telah memanipulasi agen-agen intelijen Amerika Serikat mengenai lokasi Mandarin dengan menjebak James Rhodes — mantan pengguna War Machine, sekarang ganti nama menjadi Iron Patriot — agar baju tempurnya bisa dicuri. Stark kabur dari tahanannya dan bertemu Rhodes. Mereka mengetahui bahwa Killian akan menyerang Presiden Ellis di Air Force One. Dengan mengendalikan Iron Man dari jarak jauh, Stark berhasil menyelamatkan penumpang dan awak namun gagal menghentikan Killian. Mereka melacak Killian hingga anjungan pengeboran minyak. Di sana Killian akan membunuh Ellis secara langsung di hadapan kamera. Wakil Presiden akan dijadikan pemimpin boneka yang mematuhi perintah Killian dengan imbalan penyembuhan kecacatan putrinya oleh program Extremis.
Di atas anjungan, Stark menyelamatkan Potts, sedangkan Rhodes menyelamatkan Presiden. Stark mengerahkan semua baju Iron Man-nya yang dikendalikan dari jauh oleh Jarvis sebagai bala bantuan. Rhodes mengamankan Presiden, sementara Stark menemukan bahwa Potts selamat dari prosedur Extremis. Akan tetapi, sebelum Potts dapat diselamatkan, anjungan runtuh dan ia jatuh dari ketinggian 60 meter. Stark yang terpaksa melawan Killian menjebaknya di dalam baju Iron Man yang dapat meledak sendiri. Killian selamat dari ledakan baju tersebut, tetapi dibunuh Potts yang ternyata terselamatkan oleh kekuatan Extremis-nya.
Setelah pertempuran berakhir, Stark memerintahkan JARVIS untuk menghancurkan semua baju Iron Man sebagai tanda bahwa ia ingin menghabiskan waktu lebih banyak bersama Potts. Baik Wakil Presiden dan Cassidy ditahan. Potts menjalani operasi untuk menghilangkan efek Extremis dan Stark menjalani pengangkatan pecahan besi di dekat jantungnya. Ia kemudian melempar reaktor jantungnya ke laut, namun tetap menganggap dirinya sebagai Iron Man tanpa baju tempur.
Setelah kredit selesai, muncul adegan yang menunjukkan bahwa narasi Stark sepanjang film sebenarnya merupakan curahan hati kepada seseorang tentang trauma yang dideritanya. Kamera beralih ke Dr. Bruce Banner yang bangun setelah tertidur mendengarkan cerita Stark.
