In dem Film spielen mit dem Mammut Manni, dem Säbelzahntiger Diego und dem Faultier Sid dieselben Charaktere wie im ersten Teil mit, und es kommen noch Ellie, ein weibliches Mammut, die beiden Opossums Crash und Eddie sowie der flotte Tony, ein Gürteltier, hinzu.

Die Eiszeit ist vorüber und das Tal, in dem sie leben, wird in Kürze mit Schmelzwasser überschwemmt werden. Ein Gletscher hat sich an einem Ende des Tals gebildet und verhindert das Abfließen des Wassers.

Diego, Manfred und Sid müssen alle Bewohner des Tals warnen und gemeinsam mit ihnen aus der Heimat fliehen. Als ein Geier der Gruppe von einer Arche am anderen Ende des Tales erzählt, macht sich die Gruppe auf den Weg, die Arche zu erreichen, um mit ihr aus dem Tal zu fliehen.

Das Rattenhörnchen Scrat hat noch andere Probleme: Ein Geier hat seine Eichel gestohlen und sie in seinem Nest versteckt.

Währenddessen ist Manni deprimiert, weil er denkt, das letzte Mammut auf der Erde zu sein - bis er das Mammutweibchen Ellie trifft. Ellie fühlt sich aber als Opossum, weil sie bei Opossums aufgewachsen ist und nur deren Gepflogenheiten kennt. Ellie versucht zum Beispiel, auf einem Ast zu schlafen, was angesichts ihrer Masse zum Scheitern verurteilt ist. So hat Manni ein hartes Stück Arbeit vor sich, um Ellie vom Gegenteil zu überzeugen.

Des Weiteren lernt Sid auch Diegos Geheimnis kennen: Er ist wasserscheu. Aber gerade in den Wassermassen lauern Gefahren wie z. B. der Ichtyosaurus Cretaceous oder der riesige Pliosaurus Maelstrom (zwei Meeresreptilien). Diese zwei eigentlich bereits ausgestorbenen Urzeittiere sind von den tauenden Eismassen freigesetzt worden.

Erst als Sid und die Opossums in Gefahr geraten, kann Diego seine Wasserscheu überwinden und sie retten. Kurz vor dem Ziel wird ihr Weg von einem lebensgefährlichen Geysirfeld abgeschnitten. Ellie und Manni geraten in Streit, und so trennt sich ihr Weg. Während Manni, Sid und Diego das Feld überqueren und die anderen Tiere erreichen, wird Ellie in einer Höhle eingeschlossen und droht zu ertrinken. Crash und Eddie ersuchen Manni um Hilfe, der Ellie nach einem dramatischen Unterwasserkampf mit Maelstrom und Cretaceous befreien kann.

Scrat kann inzwischen die Eichel aus dem Nest der Geier entwenden. Als er sie auf dem Gletscher vergräbt, spaltet sich das Eis. Der Damm ist damit gebrochen, die Wassermassen strömen aus dem Tal und alle Bewohner sind gerettet. Hier treffen Manfred und Ellie auch auf andere Mammuts. Für einen kurzen Moment scheint es, dass sich nun die Wege der beiden trennen, doch schließlich finden sie doch noch zueinander.

Scrat wiederum fällt in den Spalt und wird von den Wassermassen überwältigt. Im Himmel kommt er wieder zu sich, wo er von unzähligen Eicheln umgeben ist. Als er jedoch eine riesige Eichel (symbolisiert Gott; eine Szene erinnert an Die Erschaffung Adams von Michelangelo) berühren will, wird er von einem Sog erfasst und zurück zur Erde gebracht: Sid hat ihn vor dem Ertrinken gerettet. Weil Sid ihn aus dem Himmel geholt hat, zeigt Scrat seine schon zuvor bei Piranhas eingesetzten Karatefähigkeiten.

Serie / Reihe: Ice Age