Manny e Ellie estão à espera de seu primeiro filho. Sid encontra alguns ovos de dinossauro, e agora possui sua própria família adotiva. O problema é que isso traz encrencas com a mãe tiranossauro, que corre em busca de seus rebentos. Ela leva os três filhotes e também Sid para um mundo subterrâneo, onde os dinossauros ainda existem, o que obriga Manny, Ellie e Diego a irem atrás do amigo para resgatá-lo. As confusões estão só começando, pois não é apenas a mãe tiranossauro que aparece, vários dinossauros estão escondidos esperando por eles.

A preguiça Sid forma sua própria família adotiva seqüestrando alguns ovos de dinossauro; e Diego, o tigre dentes-de-sabre, se pergunta se não está ficando “mole” demais devido à convivência com seus amigos.

Em uma missão para resgatar o azarado Sid, a turma se aventura em uma nova era, onde a fauna e a flora são diferentes. Neste local, dão de cara com dinossauros, lutam contra plantas carnívoras de fúria assassina – e conhecem uma incansável doninha de um olho só, chamada Buck.