Manny le mammouth se préoccupe du bien-être de sa compagne Ellie, sur le point d'accoucher de leur premier rejeton. Jaloux de leur bonheur, Sid le paresseux recueille trois oeufs de dinosaure avec l'idée d'élever les petits. Mais la maman dinosaure le capture et l'entraîne dans son monde souterrain. Avec l'aide du tigre aux dents de sabre Diego, dont la vision et la rapidité commencent à décliner, Manny et Ellie partent à la rescousse de Sid. Ils découvrent alors, sous la toundra enneigée, un univers luxuriant, peuplé d'animaux exotiques et de dinosaures féroces. Pour retrouver Sid, le groupe obtient l'aide de Buck, une belette aux allures de flamboyant pirate. Pendant ce temps, Scrat tente encore et toujours d'attraper un précieux gland de chêne, mais cette fois, le fruit est également convoité par une belle femelle écureuil.