一群老朋友又将开始一段新的旅程。当猛犸象曼尼（Manny）沉浸在马上要当爸爸的喜悦之时，剑齿虎迭戈（Diego）却为自己的逐渐衰老而黯然伤神，此时树懒希德（Sid）则发现了三枚恐龙蛋，居然“母爱”泛滥，想作这三只小霸王龙的妈妈，结果被小恐龙真正的妈妈霸王龙掳走。为了寻找同伴，一群可爱的动物朋友们走进了隐藏在冰河世纪之下的“侏罗纪公园”，在这片神奇的地方，他们会认识什么新朋友，又会遭遇到什么危险，这都让所有众多“冰粉”们充满期待。这部电影作为20世纪福克斯公司（20thCenturyFox）第一部3D形式大规模上映的动画片其制作成本达到1.2亿美元，几乎是《冰河世纪1》的两倍。
艾莉怀孕了，曼尼迫切希望让她和即将出生的孩子的生活变得完美和安全。然而，这导致他对迭戈变得疏远和疏忽，迭戈正在考虑离开兽群，因为他觉得自己正在失去作为猎人的优势，不适合家庭生活，而希德则开始希望有一个家庭他自己。希德发现了一个地下冰洞，在那里他发现了三个显然被遗弃的鸡蛋，并决定收养它们。曼尼告诉席德把蛋放回去，但席德无视他并照顾它们，第二天早上它们就孵化成了霸王龙宝宝。与此同时，斯克拉特迷上了一只名叫斯克拉特的飞剑齿松鼠，尽管她只想要他的橡子。
尽管希德尽了最大努力抚养恐龙，但它们的暴躁行为吓跑了所有年幼的动物，还毁坏了曼尼为孩子建造的游乐场，激怒了曼尼。正当曼尼骂席德的时候，席德拿走蛋的暴龙妈妈又回来了。当希德拒绝归还婴儿时，她将希德和她的孩子们带到了地下，迭戈在追赶。曼尼、艾莉、卡什和埃迪也紧随其后，发现冰冷的洞穴通向一片巨大的地下丛林，里面栖息着被认为已经灭绝的恐龙。他们被恐龙包围，但被一只名叫巴克的 疯狂的独眼黄鼠狼救了。
巴克透露，他在丛林里生活了很长一段时间，一直在追捕鲁迪，一只被丛林居民害怕的巨大而充满敌意的白化重 爪龙，打算为他多年前失去的眼睛报仇。他同意带领大家穿越危险的丛林，到达熔岩瀑布，恐龙妈妈带着席德和她的孩子们来到了那里。与此同时，斯克拉特和斯克拉特继续争夺橡子，但在一次战斗中，斯克拉特救了斯克拉特，使其免于掉入熔岩河，使他们彼此相爱并忘记了橡子。与此同时，暴龙妈妈她试图除掉希德，作为对偷走她孩子的报复，但几次失败后，她慢慢对他产生了依恋。然而第二天，希德与暴龙家族失散，并遭到鲁迪的袭击。他追上了他，但被困在一块松动的岩石上，这块岩石漂浮在熔岩河上，即将从瀑布上坠落。
当牛群向熔岩瀑布移动时，艾莉即将分娩，一群关龙攻击了他们，导致岩石滑落，将她与其他人分开。巴克、克拉什和艾迪出发去营救希德，而曼尼和迭戈则留下来保护艾莉。迭戈通过保护艾莉免受离她最近的关龙的伤害，同时在她分娩时在情感上支持她，从而重新获得了优势，而曼尼在向她走去时放慢了更远的人的速度。与此同时，正当希德越过瀑布时，巴克、克拉什和艾迪突然袭击了一只被征用的哈巴托颌龙，在逃离了一群风神翼龙后险些救了希德。。曼尼及时赶到艾莉，看到了他刚出生的女儿，夫妻俩同意给孩子取名“桃子”。席德很高兴能与朋友们重聚，但遗憾的是他从未有机会与恐龙告别。
在他们离开丛林之前，他们遭到了鲁迪的伏击。曼尼、希德、迭戈和巴克齐心协力，用藤蔓将鲁迪困住。然而，他很快挣脱了束缚，继续发起攻击。暴龙妈妈拯救了牛群，他向鲁迪发起冲锋，将他撞下悬崖，据推测他坠落身亡。然后席德向恐龙说再见。由于鲁迪走了，巴克现在失去了生活的目标，他决定加入牛群并在地面上生活。然而，远处的一声吼叫告诉他鲁迪还活着。因此，他改变了主意，将牛群送回家，同时封锁了通往地下丛林的道路。曼尼和艾莉欢迎桃子进入他们的冰冻世界，曼尼向席德承认他是小恐龙的好父亲，迭戈决定留在恐龙群中，而巴克则留在地下，并成功驯服了鲁迪。与此同时，斯克拉特和斯克拉特决定一起住在丛林里。然而，斯克莱特最终选择了橡子而不是她。两人再次争夺橡子，这导致 Scrat 意外地被发射回地面，而 Scratte 又回到恐龙世界，成为她的新家。斯克莱特嘲笑她关于橡子的事，但当一大块冰将橡子从他手中击落后，他再次失去了橡子，这让他非常沮丧。