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Un branco di tigri dai denti a sciabola attacca un gruppo di neandertaliani. Per salvarsi un donna si getta in un fiume con il proprio bambino, ma è trascinata dalla corrente e riesce con difficoltà a deporlo sulla riva. Il bradipo Syd, abbandonato dalla famiglia, viene salvato dall'attacco di due brontoteri da parte di Manfred, uno degli ultimi mammut. Syd e Manfred trovano il bambino sulla riva del fiume e decidono di riportarlo alla sua tribù, che nel frattempo si è trasferita. Diego, ancora a caccia del bambino, si offre per condurre i due agli umani, con l'intenzione però di tendergli un'imboscata assieme al branco. Le avventure umane vissute colpiscono Diego, che si converte in personaggio buono, decide di non consegnare il bambino al suo branco e di condurre Syd e Manny (Manfred) agli umani, dopo avere confessato le iniziali intenzioni. Nel finale del film, Diego, Manny e Syd sconfiggono il branco di tigri con la vittoria di Manny per aver ucciso il capo Soto, consegnano il bambino nelle mani del padre e prendono la via del sud per sfuggire al freddo imminente. Parallelamente alla trama principale, nel film appare periodicamente la vicenda di uno scoiattolo di nome Scrat che tenta in tutti i modi di proteggere e nascondere la sua amatissima ghianda per il futuro.