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O Aquecimento Global está causando mudanças no continente. As geleiras estão começando a derreter e o nível dos oceanos, a subir. Isso, no entanto, é despercebido pelos animais, que estão se divertindo em uma espécie de parque aquático, no qual rios e cachoeiras foram formados a partir de fendas no gelo. Quando os personagens Manny, Sid e Diego percebem que o local seria logo tomado pelas águas oceânicas, decidem, juntamente com o resto dos animais, a fugirem para um local mais seguro. Para isso, eles teriam de encontrar uma espécie de barco, que fica no fim do vale (este fato faz referência à Arca de Noé.)
Nessa jornada, o trio deverá contar com a companhia de três novos personagens: uma mamute, Ellie, e dois gambás, Crash e Eddie. O grupo também deve enfrentar, no caminho, várias situações perigosas, incluindo fugir de dois perigosos monstros marinhos que estavam congelados desde a Era dos Dinossauros mas agora despertaram, são eles Cretaceous (um ictiossauro) e Maelstrom (um pliossauro). Além disso precisam passar por um campo contendo gêiseres. Porém, seu maior objetivo é chegar até o barco e salvarem suas vidas, principalmente Manny e Ellie, pois é o único de jeito de salvar sua espécie.
Em meio a tanta aventura, também não poderia ser esquecido o incansável esquilo Scrat, que tenta de tudo para conseguir sua tão preciosa noz. Nesse filme, ele também terá de passar, entretanto, por alguns contratempos, entre eles, um cardume enorme de peixes carnívoros.