A segunda temporada de Ilha de Ferro começa depois de uma passagem de tempo de três anos. Agora Dante (Cauã Reymond) é pai. Na verdade, pai solo. Depois que Bruno (Klebber Toledo) foi preso, ele assumiu a paternidade de Maria (Alice Palmar), mas a vida mudou mesmo após Leona (Sophie Charlotte) os abandonar.
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Com a filha, mas sem as presenças do irmão e da mulher, o petroleiro é um cara cada vez mais solitário. Júlia (Maria Casadevall) foi embora, Buda (Taumaturgo Ferreira) morreu, e o amor de Dante é cada vez mais a PLT 137. Sua obstinação aumentou a produtividade da plataforma, ainda que às custas do bem-estar da equipe.
Vai ser justamente para tentar controlar os ânimos em erupção na Ilha de Ferro que Olívia (Mariana Ximenes), a psiquiatra da empresa, será chamada à embarcação. Olívia é uma mulher intensa. Noiva de Diogo (Eriberto Leão), presidente da Federativa, ela tenta não expor a relação dos dois para não interferir no trabalho.
Mas tudo muda quando conhece Dante. Aos poucos, ela vai se envolvendo nos tormentos dele e segue, assim, tentando diminuir as sombras dos fantasmas do seu passado. O que ela não contava é que o passado recente de Dante volta com tudo.
Após três anos fora, e mais bem resolvida com suas questões pessoais, Júlia retorna a pedido do avô, João Bravo (Osmar Prado), que vai receber uma homenagem a bordo da PLT 137. O reencontro traz novamente sua veia petroleira e as lembranças do romance com Dante.
Sobre a vida em terra de Júlia, leia-se: comandante Ramiro (Romulo Estrela). Mergulhador de combate da Marinha, ele é daquele tipo de cara boa praça, mas reservado. Não por acaso, os dois se conhecem no meio de uma perseguição. Apesar de durões, aos poucos, eles vão baixando a guarda, se deixando conhecer e se apaixonando. Mas Ramiro também tem contas a acertar com seu passado.