自纽约事件以来，托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 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 饰）的感受。与此同时，臭名昭著的恐怖头目曼达林（本·金斯利 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 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 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……

在尼比鲁星球探查期间，企业号舰长柯克（克里斯·派恩Chris Pine 饰）为营救史波克（扎克瑞·昆图 Zachary Quinto 饰）采取了胆大妄为的举动，几乎危及全舰队员的生命，他也为此付出代价。不久，柯克官复原职，而伦敦发生一起死亡超过四十人的恐怖袭击事件。该事件的始作俑者约翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰）正来自联盟内部。此后他驾驶飞机袭击了高层会议，柯克最为敬重的派克将军不幸遇难。为了阻止哈里森的外逃阴谋，柯克重新率领企业号启程追击。危机重重的旅途，他和舰员、朋友之间的信任也受到巨大考验。
当他们最终找到哈里森，才终于知晓他的真实身份，以及伦敦袭击事件背后的阴谋和黑幕……