Robert Downey Jr. jako Tony Stark / Iron Man, geniusz, biznesmen, filantrop i playboy, który skonstruował dla siebie serię bojowych pancerzy wspomaganych. Odziedziczył po ojcu majątek i firmę specjalizującą się w przemyśle zbrojeniowym o nazwie Stark Industries. Gwyneth Paltrow jako Virginia „Pepper” Potts, osobista asystentka Starka. Terrence Howard jako James „Rhodey” Rhodes, oficer sił powietrznych armii Stanów Zjednoczonych, przyjaciel Starka. Jest łącznikiem między Stark Industries a Wojskowym Departamentem ds. Zbrojeń. Jeff Bridges jako Obadiah Stane, menadżer Stark Industries, wcześniej był współpracownikiem Howarda Starka, a po jego śmierci prezesem Stark Industries, do czasu pełnoletniości Tony’ego. jako Ho Yinsen, lekarz i naukowiec pochodzący ze wsi Gulmira, położonej w środkowo-wschodnim Afganistanie.
W filmie ponadto wystąpili: Paul Bettany jako J.A.R.V.I.S., komputerowa sztuczna inteligencja stworzona przez Starka, która zarządza jego posiadłością i zbrojami; Jon Favreau jako Harold „Happy” Hogan, osobisty ochroniarz i szofer Starka; Clark Gregg jako Phil Coulson, agent T.A.R.C.Z.Y.; Leslie Bibb jako Christine Everhat, reporterka Vanity Fair; jako Raza Hamidmi Al-Wazar, członek grupy terrorystycznej Dziesięć Pierścieni;