¿Qué pasaría si estuviéramos al borde de una nueva Era de Hielo?, esta es la pregunta que tiene obsesionado al climatólogo Jack Hall ("Dennis Quaid"). La investigación de Hall indica que el calentamiento global podría provocar un cambio abrupto y catastrófico en el clima del planeta. Los extractos glaciales que ha perforado en la Antártica revelan que un fenómeno de esta índole sucedió antes, diez mil años atrás. Y ahora, está alertando a las autoridades de que podría volver a suceder si no actúan con presteza. Pero su advertencia llega demasiado tarde. Todo comienza cuando Hall ve cómo se desprende de la Capa de Hielo de la Antártica un pedazo del tamaño de Rhode Island. Después, una serie de graves eventos climatológicos comienzan a suceder alrededor de la Tierra: granizos del tamaño de una toronja sacuden Tokio, huracanes cuyos vientos rompen récords azotan Hawai, una nevada cae en Nueva Delhi, y después, una serie de tornados deja devastado a Los Ángeles. Una llamada de un colega en Escocia, el Profesor Rapson ("Ian Holm"), confirma los peores miedos de Jack: estos intensos eventos climatológicos son síntomas de un masivo cambio global. El derretimiento de los casquetes polares ha derramado demasiada agua dulce en los océanos y alterado las corrientes que estabilizan nuestro sistema atmosférico. El calentamiento global ha llevado al planeta más allá de sus extremos y lo ha colocado en vísperas de una nueva Era de Hielo. Y todo sucederá durante una mega tormenta global. Mientras Jack previene a la Casa Blanca del inminente cambio climático, su hijo de 17 años, Sam ("Jake Gyllenhaal"), se encuentra atrapado en la ciudad de Nueva York, donde él y sus amigos han estado compitiendo en un concurso académico entre preparatorias. Ahora Sam deberá lidiar con la severa inundación y las gélidas temperaturas de Manhattan. Después de haberse refugiado en la Biblioteca Pública de Manhattan, Sam logra contactar a su padre por teléfono. Jack solamente tiene tiempo para darle una advertencia más: quédate adentro pase lo que pase. Una vez que comienzan evacuaciones masivas hacia el sur, Jack se dirige a la ciudad de Nueva York para salvar a Sam. Pero ni siquiera Jack está preparado para lo que está a punto de pasarle a él, a su hijo y a su planeta.