Les «héros givrés» sont de retour pour une aventure incroyable. Scrat court toujours derrière son gland et cette fois-ci rencontre un amour, Manny et Ellie sont très anxieux et émotifs car ils vont avoir leur premier enfant, Diego quitte le groupe car il pense que ses facultés de chasseur s'amenuisent au fur et à mesure qu'il reste avec eux et Sid le paresseux s'attire des ennuis en volant des œufs de tyrannosaure, dont la mère enlève Sid. Dans un périple pour sauver Sid, le gang se retrouve dans un mystérieux monde souterrain, où vivent encore des dinosaures. Ils devront lutter contre la faune et la flore, et rencontreront Buck, une fouine à un œil excentrique aux airs d'Indiana Jones qui va les aider à sauver Sid mais une créature bien plus grosse que la mère tyrannosaure que Buck appelle Rudy les poursuit.