一緒に数々の冒険を繰り広げてきたデコボコトリオ、マンモスのマニー(レイ・ロマノ)、サーベルタイガーのディエゴ(デニス・リアリー)、ナマケモノのシド(ジョン・レグイザモ)。近頃、彼らの生活に新たな展開が訪れていた。愛するエリー(クイーン・ラティファ)がもうすぐ子供を生むと知って大喜びのマニー。平和ボケですっかり体がなまってしまった自分を見つめ直そうと、一人旅に出るディエゴ。そして、それぞれの道を選ぶ二匹の姿に、一抹の寂しさを感じるシド。そんなある日、氷に開いた穴に落ちたシドは、氷河の真下に広がる恐竜ワールドを発見する。そこで見つけたのはティラノザウルスの卵。それを拾ってきたシドは、自分が父親になって育てると宣言。努力の甲斐あって、無事にティラノ・キッズが誕生する。だが喜びも束の間、ママ恐竜に見つかり、子供たちと一緒に恐竜ワールドへ連れ去られてしまう。仲間の危機を知り、救出に向かった仲間たちは片目のイタチで冒険野郎のバック(サイモン・ペッグ)に出会う。そして、相変わらずドングリに命を賭けるスクラット(クリス・ウェッジ)の前には、謎の美女スクラッティの甘い罠が。次から次へと仲間たちを襲うピンチ。果たして一行は、恐竜ワールドからシドを救い出し、友情を取り戻せるのか?そして、マニーは無事にパパとなる日を迎えられるのか?