La horde se disloque : Manny et Ellie attendent leur premier bébé mammouth ; Diego, le tigre à dents de sabres, décide de les quitter parce qu'il se sent vieux. Quant à Sid, le paresseux, il trouve dans une grotte trois gros oeufs, qu'il décide d'adopter. Les ennuis commencent lorsqu'il inaugure l'aire de jeu avec les trois bébés, qui se révèlent être des dinosaures ! La situation empire lorsque la maman tyrannosaure vient récupèrer sa progéniture et emporte Sid. Ce drame réunit les amis, qui partent à sa recherche dans le monde souterrain des dinosaures, caché sous la glace. Dans cette jungle luxuriante, le groupe affronte faune et flore menaçantes, tandis que Scrat l'écureuil croise Scratina, qui lui vole son gland. Le groupe rencontre Buck, une fouine qui chasse depuis longtemps le plus monstrueux des dinosaures : Rudy... Buck guide la troupe pour secourir Sid. Ce dernier lutte pour élever les petits, qui préfèrent la viande fraîche que leur apporte leur mère à ses brocolis ! Pendant que les amis traversent une zone de gaz hilarant, Sid tombe dans un fleuve de lave. Heureusement, Buck grimpe sur un ptérodactyle pour le sauver, pendant que Diego protège Ellie, qui est en train d'accoucher. Finalement, la troupe triomphe de Rudy grâce à l'intervention de maman tyrannosaure. Ils peuvent retourner à la surface avec Pêche, l'irrésistible bébé mammouth... Buck hésite à les suivre puis finit par rester chez les dinosaures... car Rudy a survécu !