In Iron Man 4 maakt Tony Stark een verrassende terugkeer, maar niet op de manier waarop fans hadden verwacht. Na de gebeurtenissen in Avengers: Endgame werd Tony’s bewustzijn in het geheim door Pepper Potts geüpload naar een geavanceerd AI-systeem, in afwachting van een toekomstige dreiging. In Iron Man 4 komt deze AI-versie van Tony naar voren wanneer Stark Industries wordt aangevallen door een nieuwe slechterik: Ezekiel Stane, de zoon van Obadiah Stane, op zoek naar wraak voor de dood van zijn vader.

Ezekiel heeft een ultrakrachtige versie van het Iron Monger-pak ontwikkeld, doordrenkt met de allernieuwste nanotechnologie. Stark, beperkt door zijn virtuele vorm, moet een nieuw team van helden, waaronder Riri Williams (Ironheart) en James Rhodes (War Machine), begeleiden om te voorkomen dat Ezechiël een wereldwijde vernietiging ontketent. De spanning stijgt terwijl Tony worstelt met zijn onvermogen om fysiek deel te nemen aan gevechten, wat wrijving veroorzaakt met zijn bondgenoten die moeten vertrouwen op zijn begeleiding op afstand.
Een van de emotionele hoogtepunten van de film is Tony’s hereniging met zijn dochter Morgan, nu een tiener. Via een reeks hologrammen geeft hij haar advies en onthult een verborgen Iron Man-pak dat speciaal voor haar is ontworpen, waardoor de deur wordt geopend voor Morgan om de mantel van haar vader over te nemen.
Tijdens de climaxstrijd overweldigt de geavanceerde technologie van Ezechiël de helden totdat Tony zijn digitale zelf opoffert en zijn bewustzijn permanent uitwist om de systemen van Ezechiël van binnenuit uit te schakelen. Op de laatste momenten vindt een ontroerende scène plaats waarin Tony’s AI een oprecht afscheidsbericht achterlaat voor Pepper en Morgan, waarmee het hoofdstuk over Iron Man voor eens en voor altijd wordt afgesloten.