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. Davin Ransom zagrał Starka jako dziecko. Gwyneth Paltrow jako Virginia „Pepper” Potts, była osobista asystentka Starka, która zostaje awansowana na prezesa Stark Industries. Don Cheadle jako James „Rhodey” Rhodes / War Machine, oficer sił powietrznych armii Stanów Zjednoczonych, przyjaciel Starka. Jest łącznikiem między Stark Industries a Wojskowym Departamentem ds. Zbrojeń. Używa dozbrojonej przez Hammer Industries zbroi „War Machine”. Scarlett Johansson jako Natasha Romanoff / Czarna Wdowa, agentka T.A.R.C.Z.Y. oraz wysoce wyszkolony szpieg, która udaje nową asystentkę Starka. Sam Rockwell jako Justin Hammer, prezes firmy zbrojeniowej rywalizującej ze Stark Industries o kontrakt z armią Stanów Zjednoczonych, Hammer Industries. Mickey Rourke jako Ivan Vanko, rosyjski fizyk i były skazaniec, który buduje broń na bazie reaktora łukowego w celu dokonania zemsty na rodzinie Starków. Samuel L.