自纽约事件以来，托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰）为前所未有的焦虑症所困扰。他疯狂投入钢铁侠升级版的研发，为此废寝忘食，甚至忽略了女友佩珀·波茨（格温妮斯·帕特洛 Gwyneth Paltrow 饰）的感受。与此同时，臭名昭著的恐怖头目曼达林（本·金斯利 Ben Kingsley 饰）制造了一连串的爆炸袭击事件，托尼当年最忠诚的保镖即在最近的一次袭击中身负重伤。未过多久，托尼、佩珀以及曾与他有过一面之缘的女植物学家玛雅（丽贝卡·豪尔 Rebecca Hall 饰）在家中遭到猛烈的炮火袭击，几乎丧命，而这一切似乎都与22年前那名偶然邂逅的科学家阿尔德里奇·基连（盖·皮尔斯 Guy Pearce 饰）及其终极生物的研究有关。
即使有精密先进的铠甲护身，也无法排遣发自心底的焦虑。被击碎一切的托尼，如何穿越来自地狱的熊熊烈火……
月球最高监狱，穷凶极恶的伯格罗多星人鲍里斯（杰梅奈·克莱门特 Jemaine Clement 饰）越狱逃亡。他在1969年犯下邪恶罪行，最终被年轻的K（乔什·布洛林 Josh Brolin 饰） 砍掉一只手臂，送入监狱。此次他逃脱的目的，就是穿越时空杀死K。与此同时，J （威尔·史密斯 Will Smith 饰）和K（汤米·李·琼斯 Tommy Lee Jones 饰）一如既往处理各种外星人引起的混乱，因对鲍里斯的案件三缄其口，两个好搭档心生隔阂。
崭新的一天，J发现K消失不见，周围更几乎没人知道K这个人。此时的K已在40年前被鲍里斯杀死，他所建立的A网也不复存在。在这危急时刻，伯格罗多星人大举入侵地球。为了保护家园，J必须穿越时空再次改变历史……
泛消费公司已完全掌控了底特律市之后，与日本金光财团合作组建OCP，在底特律开发三角洲城，并招揽雇佣兵组成暴力改建队，驱逐居民，相当数量的拆迁地居民为捍卫家园组成武装力量反抗财阀的不义计划，女童妮科（Remy Ryan Hernandez 饰）凭借高超的电脑技术在反抗军中表现抢眼。机器战警墨菲（Robert John Burke 饰）与老搭档路易斯执行任务期间偶然发现了居民们的藏身地点，出于正义感，墨菲同随后赶到的改建队交火，机体损坏严重，路易斯不幸身亡，墨菲决定加入反抗军。同时日本方面为执行拆迁计划派出特工忍者雄志，改建队头目亦利用反抗军中的叛徒查到了反抗总部。在妮科的帮助下，墨菲被拉瑟斯博士整修完备，汇同不齿改建队暴力行径而选择站到居民一边的底特律警察们，同雄志、改建队展开最后决战。
贝拉（克里斯汀•斯图尔特 Kristen Stewart 饰）即将毕业，她与爱德华（罗伯特•帕丁森 Robert Pattinson 饰）在婚姻问题尚有分歧。父亲总担心女儿跟爱德华交往会吃亏，但是爱德华保守派风格令他安心。雅各布（泰勒•洛特纳 Taylor Lautner 饰）看到爱德华与贝拉依旧如胶似漆，内心十分挣扎。他感应到贝拉对自己的感觉，并私下对她示爱。在强吻遭拒后，两人不欢而散。贝拉的衣物神秘被盗，同时爱丽丝感到昔日库伦家族的维多利亚正在准备为死去的詹姆斯复仇。后者组建了一支吸血鬼新生儿军团，正在赶往此地，来势汹汹，不可不防。于是，库伦家族决定积极备战。考虑到贝拉的安全，雅各布也决定加入，昔日宿敌结盟，联手对抗外来的恶势力。然而大战在即，贝拉却还纠缠在同爱德华和雅各布的感情之间，难以抉择……
