Мамонты Мэнни и Элли ждут рождения своего детёныша, чем вызывают у ленивца Сида большое желание обзавестись собственной семьёй. В тот же день Сид находит в таинственной пещере подо льдом три неизвестных яйца и решает сделать их своими будущими «детьми». На следующий день из яиц вылупляются три динозаврика, которые принимают Сида за мать и начинают повторять повадки ленивца. Но вскоре из пещеры появляется их настоящая мать — огромный тираннозавр, чтобы забрать своих детей. Из-за того, что динозаврики слишком привязались к Сиду, ей приходится утащить и его с собой.
Мэнни, Элли, опоссумы Крэш и Эдди и саблезубый тигр Диего спускаются в пещеру вслед за динозаврихой, чтобы спасти Сида, и открывают невиданный ранее скрытый подо льдами растительный мир, населённый различными динозаврами. Они тут же оказываются окружены хищниками, от которых их спасает ласка по имени Бак — свирепый и бесстрашный охотник на динозавров, который соглашается провести новых друзей долгою дорогой к логову тираннозавра, находящемуся рядом с Порогами Лавы. Бак предупреждает, что в его мире существует динозавр пострашнее того, что унёс Сида, — монстр, гигантский барионикс, которого Бак называет Руди и с которым сражается уже долгое время.
Путешествие встречает героев различными опасностями. В Джунглях Страданий Мэнни и Диего оказываются едва не съеденными гигантским цветком, от которого их спасает Бак. Перебираясь через Ущелье Смерти, все чуть не умирают от безостановочного смеха, вызванного извергаемыми веселящими газами; лишь Элли успевает миновать их воздействие и выручить остальных. Когда друзья перебираются по Скорбному Плато с его обваливающимися скалами, у Элли начинаются схватки, и Мэнни с Диего остаются защищать её от нападающих хищных динозавров гуанлонгов, в то время как Бак вместе с Крэшом и Эдди идут дальше к Порогам Лавы на поиски Сида.
Сид, путешествующий тем временем вместе с матерью-тираннозавром и её детьми, теряется в пути и сталкивается с динозавром Руди, убегая от которого, оказывается унесён на камнях лавовым потоком. Бак, Крэш и Эдди, оседлав птеранодона и отбиваясь от враждебных птерозавров-кетцалькоатлей, вовремя спасают его и возвращаются к Мэнни, Диего и Элли, уже переживших рождение мамонтёнка-девочки, названной Персиком.
Наконец воссоединившись, друзья возвращаются к спуску с поверхности, откуда они пришли. Неожиданно у них на пути появляется Руди. Объединёнными усилиями Мэнни, Диего, Бак и Сид связывают монстра, но Сид по неуклюжести разрывает верёвки. Ленивец оказывается едва не съеден гигантским динозавром, когда ему на помощь приходит мама-тираннозавр и сталкивает Руди со скалы.
Сид прощается с динозавриками и их матерью. Бак, посчитав, что после смерти Руди ему больше нет смысла жить в мире динозавров, решает подняться вместе с остальными на поверхность. Но на выходе он слышит отдалённый рёв Руди и понимает, что тот выжил, и остаётся внизу, а Сид, Диего, Крэш, Эдди, Мэнни и Элли вместе с мамонтёнком возвращаются домой.
Скрат и Скратти

Скратти и Скрат в борьбе за жёлудь
Параллельно с основным сюжетом мультфильм продолжает историю саблезубой белки Скрата, продолжающего свою вечную погоню за орехом и пересекающегося с главными героями лишь четыре раза. В третьей части Скрат встречает самку саблезубой белки-летяги, Скратти, к которой поначалу испытывает романтические чувства, но после вступает с ней в долгую борьбу за вожделенный орех, во время которой оба попадают в мир динозавров. Там Скратти едва не гибнет над вулканом, но Скрат, рискуя орехом (и жизнью), спасает её, после чего белки окончательно влюбляются друг в друга. Они остаются в подземном мире, проводя время вместе, напрочь забыв об орехе, и даже начинают устраивать там семейную жизнь. Но вскоре Скрат начинает скучать по ореху и сбегает от Скратти, чтобы вернуть его себе. Та гонится за ним, и в результате очередной борьбы Скрат оказывается на поверхности, отрезанный и от Скратти, и от ореха. Впрочем, вероятно, на этом сложные отношения белок, как и их охота за орехом, не закончились.