Der US-amerikanische Paläoklimatologe Jack Hall und seine Kollegen Frank und Jason kommen bei einer Antarktis-Expedition fast ums Leben, als sich eine riesige Eisscholle vom Larsen-B-Schelfeis löst. Nach der Rückkehr präsentiert Hall seine Forschungsergebnisse auf einer UNO-Klimakonferenz in Neu-Delhi, aber der US-Vizepräsident Raymond Becker ignoriert seine eindringlichen Warnungen vor einem dramatischen Klimawandel. Der schottische Forscher Terry Rapson hält hingegen seine These für plausibel, der zufolge der Golfstrom wegen der schmelzenden Polkappen drastisch aussüßen könnte, was eine neue Eiszeit zur Folge hätte.
In Schottland bemerken Rapson und seine Mitarbeiter, dass mehrere Messbojen im nördlichen Atlantik rasant sinkende Temperaturen melden, wodurch sie Jacks Theorien bestätigt sehen, wobei der Klimawandel allerdings weitaus schneller abläuft, als von ihm für möglich gehalten. Innerhalb kürzester Zeit treffen immer mehr meteorologische Katastrophenmeldungen aus aller Welt ein. In Neu-Delhi erfrieren mehrere Menschen aufgrund einer nie dagewesenen Kältewelle, Tokio erleidet heftige Hagelschauer und Los Angeles wird von gewaltigen Tornados verwüstet. Drei Hubschrauber, die die britische Königsfamilie retten sollen, stürzen in Schottland ab, als aufgrund extremster Niedrigtemperaturen der Kraftstoff in ihren Leitungen gefriert. Ein neues Modell, das Jack und seine Kollegen gemeinsam mit der NASA-Meteorologin Janet Tokada erstellen, prognostiziert einen dramatischen Klimawandel, der bereits innerhalb weniger Wochen eintreten wird.
Jacks Sohn Sam und seine Freunde Brian und Laura nehmen in New York City an einer Wissensolympiade teil, wo sie sich mit J.D., einem ihrer Konkurrenten, anfreunden. Die vier geraten in akute Lebensgefahr, als eine riesige Flutwelle in die Stadt einbricht. Gemeinsam mit vielen anderen Menschen retten sie sich in die New York Public Library.
Über Nordamerika, Nordeuropa und Sibirien bilden sich drei „Superstürme“, welche gigantischen Hurrikans ähneln. Diese saugen durch ihre Rotation extrem kalte Luft aus der oberen Troposphäre nach unten, weshalb in ihren Augen dreistellige Minustemperaturen herrschen. Jack und seine Kollegen berechnen, dass die Superstürme sieben bis zehn Tage lang anhalten, und dabei die gesamte nördliche Hemisphäre erfassen werden. Danach wird sich die Welt in einer neuen Eiszeit befinden, da Eis und Schnee die nördliche Erdhalbkugel bedecken, und das Sonnenlicht reflektieren werden.
In einem Telefonat rät Rapson Jack, großräumige Evakuierungen zu veranlassen. Er verabschiedet sich in dem Wissen, dass es für ihn selbst und seine beiden Mitarbeiter keine Rettung mehr gibt. Als Jack endlich die Aufmerksamkeit des US-Präsidenten gewinnt, sieht er für die Menschen in den nördlichen Bundesstaaten nur noch wenig Hoffnung. Die Einwohner aus dem südlichen Teil der USA werden nach Mexiko evakuiert. Der Präsident selbst überlebt die Flucht allerdings nicht.
Jack beschließt, sich mit seiner Polarausrüstung auf den Weg nach New York zu machen, um seinen Sohn zu retten, und wird dabei von Frank und Jason begleitet. Nachdem sie nahe Philadelphia mit ihrem Wagen nicht mehr weiterkommen, müssen sie den Rest des Weges zu Fuß mit Schneeschuhen zurücklegen, wobei Frank ums Leben kommt, als er durch ein Glasdach bricht. Jacks Ehefrau, die Ärztin Dr. Lucy Hall, die mit einem jungen Patienten im Krankenhaus geblieben ist, wird zusammen mit diesem gerettet.
In der New Yorker Bibliothek befinden sich außer Sam und seinen Freunden mittlerweile nur noch die Bibliothekarin, ein Obdachloser mit seinem Hund, eine Französisch sprechende Frau mit ihrem Kind, eine weitere junge Frau und ein in Bücher vernarrter Mann. Alle anderen Menschen haben, in der Hoffnung, weiter südlich evakuiert werden zu können, das Gebäude verlassen, obwohl Sam sie nach einem Telefonat mit seinem Vater über dessen Warnungen vor der Kälte informiert hat. Die verbliebene Gruppe hält sich durch das Verbrennen von Büchern warm. Als Laura wegen einer offenen Wunde eine Blutvergiftung erleidet, begeben sich Sam und seine beiden Freunde auf ein vor der Bibliothek gestrandetes Schiff, um dringend nötiges Penicillin zu holen, wobei sie von aus einem Zoo entflohenen Wölfen angegriffen werden. Sie schaffen es gerade noch rechtzeitig zurück in das beheizte Kaminzimmer der Bibliothek, bevor die drastisch sinkenden Temperaturen innerhalb des vorüberziehenden Auges alles außerhalb des Raumes in Sekundenschnelle gefrieren lassen.
Jack und Jason finden derweil Unterschlupf in einem leerstehenden Fast-Food-Restaurant und können so überleben, während das Auge vorüberzieht. Unterwegs stoßen sie auf eine Gruppe erfrorener Menschen, darunter auch welche, die die Bibliothek verlassen haben. Als sie Manhattan erreichen, haben sich die Superstürme aufgelöst. Schließlich finden sie Sam und die anderen Überlebenden in der Bibliothek und können per Funk die amerikanische Regierung kontaktieren, die bereits nach Mexiko geflohen ist. Der nunmehrige US-Präsident Becker bedauert in einer Fernsehansprache, die Bedrohung durch den Klimawandel nicht ernst genug genommen zu haben, und veranlasst, die Gruppe per Helikopter auszufliegen. Beim Überfliegen der Stadt sehen sie, dass noch mehr Menschen die Katastrophe überlebt haben und von weiteren Rettungshubschraubern geborgen werden. Astronauten an Bord der ISS betrachten die beginnende Eiszeit vom All aus.