Die drei "Ice Age"-Helden Diego, Sid und Manni haben die grosse Schmelze aus dem zweiten Teil überstanden. Ellie und Manni, die beiden Mammuts, erwarten Nachwuchs und Sid hegt ebenfalls den Gedanken, die Familiengründung so langsam zu beginnen. Dass er sich dazu die Eier eines T-Rex Weibchens zu eigen macht, stösst bei dieser nicht gerade auf Wohlwollen. Kurzum wird Sid verschleppt und findet sich einer schier ausweglosen Situation in einer grossen Dinosaurier-Welt wieder. Nun sind seine Freunde gefragt, denn nur sie können das Faultier befreien.

Scrat ist ein Rattenhörnchen und lebt in der Eiszeit. Als er nach einem geeigneten Ort sucht, um seine Eichel zu vergraben, findet er im Eis eine Zeitmaschine, die durch einen Wissenschaftler aus der Zukunft, dessen Skelett im Eis vergraben ist, in die Vergangenheit gelangt ist. Als Scrat die Zeitmaschine berührt, schickt sie seine Nuss in eine andere Zeit. Er gerät in Panik und berührt die Zeitmaschine ein weiteres Mal, wodurch sie auch ihn in die andere Zeit bringt. Jedes Mal, wenn in einer Zeit eine Gefahr auf ihn lauert oder wenn ihm die Zeit nicht gefällt, versetzt er der Zeitmaschine einen Tritt und er landet in einer anderen fremden Zeit.

Der kleine Roboterjunge Rodney Copperbottom ist eigentlich ein ganz normaler Junge aus der Nachbarschaft. Doch er ist hat zur Verblüffung seiner Eltern einen ungewöhnlichen Traum. Er möchte sein großes Idol Big Weld treffen und wie dieser ein genialer Erfinder werden. Auf den Spuren dieses Wunsches begibt er sich in die wilde Metropole Robot City, wo ein ganz anderer Wind weht, als Rodney es bislang gewohnt war. Hier hat der aalglatte Ratchet die Macht von Big Weld Industries an sich gerissen und vom eigentlichen Firmenchef Big Weld - Rodneys Idol - fehlt jede Spur. Um Big Weld zu finden und zu retten hat Rodney zahlreiche Abenteuer zu bestehen. Dafür braucht er nicht nur viel Mut und Erfindungsreichtum, sondern vor allem gute Freunde...

Das Mammut Manny und seine Freunde Sid und Diego sehen sich mit neuen Problemen konfrontiert. Nachdem sie es sich inmitten des Eises gemütlich gemacht haben, stellen sie fest, dass das Eis hinter einer grossen Eiswand zu schmelzen beginnt. Es gilt also für alle Tiere eine neue Bleibe zu finden, wollen nicht alle in einer riesigen Flutwelle umkommen. Am anderen Ende des Tals liegt ein Boot, das man zu erreichen versucht. Die Reise dorthin erweist sich für alle jedoch alles andere als leicht.