La quête permanente de Scrat pour attraper son insaisissable noisette le catapulte dans l'espace où il déclenche accidentellement une série d'événements cosmiques qui vont transformer et menacer le monde de l'Âge de Glace. Pour sauver leur peau, Sid, Manny, Diego et le reste de la bande vont devoir quitter leur foyer et embarquer dans une nouvelle aventure pleine de comédie, parcourant de nouvelles terres exotiques et rencontrant une galerie de personnages hauts en couleur.

Manny, Diego et Sid se lancent dans leur plus grand périple après qu'un cataclysme a donné naissance à un continent en pleine dérive. Séparé de leurs amis, ils utilisent un iceberg comme navire de fortune et s'embarquent pour une quête maritime. S'ils veulent devenir des héros, Manny et sa bande vont devoir surmonter l'impossible, tout en rencontrant des créatures aquatiques, en explorant un nouveau monde et en combattant des pirates impitoyables. De son côté, Scrat a toujours affaire à son maudit gland et se retrouve catapulté dans un endroit où aucun écureuil préhistorique n'est jamais allé.

Une maladresse de Sid le paresseux va propulser les héros de l'Âge de Glace au cœur d'un monde peuplé de dinosaures ! Ils vont devoir faire face à des habitants hostiles et farfelus, en même temps qu'à leurs propres problèmes : Manny, hyper stressé, et Ellie attendent leur premier enfant mammouth ; Diego, le tigre aux dents de sabre, redoute d'avoir perdu ses instincts de prédateur ; Sid est convaincu d'avoir enfin réussi à construire sa propre famille en kidnappant trois œufs... de Tyranosaure.

Pour Manny le mammouth, Sid le paresseux et Diego le tigre à dents de sabre, la vie est beaucoup plus douce depuis que les glaces fondent et que la température remonte. Mais les problèmes ne sont pas terminés pour autant ! Manny rêve de fonder une famille, mais la toute dernière femelle de son espèce, Ellie, se prend pour un opossum... Plus grave encore, un immense barrage de glace qui retient l'océan est sur le point de se rompre sous l'effet du réchauffement et menace d'engloutir leur petit coin de paradis. Leur seule chance de survie se trouve à l'autre bout de la vallée... Voilà nos trois héros, accompagnés d'Ellie et de ses deux insupportables frères, Crash et Eddie - de vrais opossums, eux ! - lancés dans un périlleux voyage vers la vie...

Vingt mille ans avant notre ère, lorsque Scrat, un rongeur obstiné, fend la banquise et déclenche un nouvel Âge de Glace, une vaste cohorte de mammifères s'assemble et commence à émigrer vers le sud. Manny, un mammouth solitaire qui n'en fait qu'à sa tête, choisit d'aller vers le nord et se voit bientôt rejoint par Sid, un petit paresseux volubile en quête de protecteur. Ce dernier l'oblige bientôt à recueillir un bébé humain, Roshan, que sa mère leur a confié avant de mourir, et à ramener celui-ci à son père, chasseur nomade parti vers le nord. Sur leur chemin, les deux compères devront protéger Roshan de Diego, un tigre aux dents de sabre chargé par son chef Soto de capturer le bébé.