Der Film spielt vor etwa 20.000 Jahren in der letzten Eiszeit, und der Winter steht vor der Tür. Deshalb macht sich die ganze eiszeitliche Tierwelt auf die Flucht in den Süden. Nur das einzelgängerische Mammut Manfred (Manni) widersetzt sich dem Gruppendruck und wandert nach Norden.

Riesenfaultier und Nervensäge Sid wird wie jedes Jahr von seiner Familie allein zurückgelassen. Als er von zwei Brontotherien gejagt wird, denen er eine der letzten Löwenzahnblumen vor dem Winter weggefressen hat, wird er von Manfred gerettet. Fortan schließt er sich dem Mammut an, sehr zu dessen Leidwesen.

Unterdessen überfällt ein Rudel Säbelzahntiger unter ihrem Anführer Soto eine Horde Steinzeitmenschen, um aus Rache für erlegte Artgenossen das Baby des Häuptlings zu entführen und zu töten. Doch dessen Mutter kann ihr Kind gerade noch rechtzeitig vor Säbelzahntiger Diego in Sicherheit bringen und mit dem Säugling fliehen. Diego setzt nach.

Zufällig entdecken Manni und Sid die Frau, die, von Diego in die Enge getrieben, einen Wasserfall hinunter gesprungen war und nun dem Ertrinken nahe ist. Sie reicht den zwei verdutzten Tieren ihren kleinen Sohn an Land, bevor sie vom Wasserstrom wieder fortgerissen wird.

Diego bekommt von seinem Rudelführer Soto den Auftrag, das Menschenkind zum Fressen zurückzuholen. Unter dem Vorwand, Manni und Sid helfen zu wollen, das Kind den Artgenossen wiederzugeben, versucht Diego, sich ihnen anzuschließen. Tatsächlich will er sie einem Hinterhalt zuführen, wo seine Kameraden das Kind in Empfang nehmen wollen. Schließlich wird er trotz Mannis Zweifel als Fährtensucher von den sich uneinigen Manni und Sid aufgenommen.

Auf dem Weg zurück zu den Menschen müssen die drei ungleichen Tiere verschiedene Abenteuer überstehen - sich so beispielsweise gegen die Brontotherien oder Dodos wehren (diese rotten sich durch ungeschicktes und selbstüberschätzendes Verhalten sowie Futterneid selbst aus) und den Tücken von Kälte und Eis, Lava und Feuer trotzen. Dabei müssen Manni, Sid und Diego Vertrauen zueinander aufbauen, was sich in einer Welt voller Jäger und Gejagter als nicht so einfach herausstellt. Auch die Aussicht auf das Zusammentreffen mit den Menschen, welche offenbar - wie sie es bei Höhlenzeichnungen gesehen haben - extra Waffen zum Töten der Tiere erfunden haben, vereinfacht ihre Situation nicht.

Kurz vor dem geplanten Hinterhalt, nachdem Manni ihm zuvor unter Einsatz des eigenen Lebens das Leben gerettet hatte, gesteht Diego seine ursprünglichen verräterischen Absichten und schlägt sich auf die Seite seiner Gefährten. Gemeinsam trotzen sie erfolgreich dem Angriff der anderen Säbelzahntiger. Soto wird beim Versuch, sich das Kind zu greifen, von Manni gegen einen Felsen mit Eiszapfen geworfen, woraufhin diese abstürzen und Soto erstechen. Der Rest des Rudels flüchtet.

Am Ende wird das Kind dem ausgiebig nach seiner Familie suchenden Vater zurückgegeben. Die Gefährten Manni, Diego und Sid ziehen gemeinsam nach Süden.

Serie / Reihe: Ice Age