Jack Hall (Denis Quaid)adalah seorang Paleoclimatologist yang sedang melakukan penelitian di Benua Antartika bersama temannya Frank (Jay O. Sanders) dan Jason (Dash Mihok).Sedang melakukan pengeboran untuk mengambil sampel inti es di Larsen Ice Shelf.Saat sedang pengeboran terjadi retakan besar seperti membelah benua itu.Jack menyajikan temuannya pada Konferensi Pemanasan Global Perserikatan Bangsa-Bangsa,di New Delhi India,di sana hadir banyak diplomat,termasuk Wakil Presiden Amerika Serikat, (Kenneth Welsh) yang tidak yakin pada teori Jack.
Keprihatinan Jack juga dirasakan Profesor Terry Rapson (Ian Holm) dari Pusat Penelitian Iklim Hedland,Skotlandia.Disana Rapson menemukan dua pelampung di Atlantik Utara secara bersamaan menunjukkan penurunan suhu air secara besar,Rapson menyimpulkan bahwa mencairnya es di kutub telah mengganggu arus Atlantik Utara.Dia menelpon Jack dan memberitahu apa yang terjadi.Jack percaya bahwa peristiwa yang pernah ia ramalkan akan terjadi,tapi tidak dalam waktu yang sangat dekat.Jack dan kedua temannya membangun model prakiraan cuaca bersama Janet Tokada (Tamlyn Tomita) dari NASA.
Di Seluruh Dunia,telah terjadi cuaca ekstrem secara massal.Di Chiyoda,Jepang telah terjadi hujan batu es sebesar bola baseball dan kota Los Angeles telah dihancurkan serangkaian angin topan.Presiden Amerika Serikat(Perry King) mengumumkan kepada FAA untuk menghentikan lalu lintas udara di Amerika Serikat disebabkan oleh cuaca buruk yang sangat parah.Sementara itu,tiga Helikopter RAF yang masuk ke mata badai superstorm yang menyebabkan bahan bakar serta awaknya membeku dan mereka jatuh seketika.Ini disebabkan oleh turunnya suhu di bawah -150 °F(-101,1 °C) dan ini merupakan awal dari Pembekuan Global.
Anak Jack, Sam Hall (Jake Gyllenhaal) berada di New York City untuk kompetisi akademik dengan teman-temannya Brian dan Laura (Arjay Smith dan Emmy Rossum). Selama kompetisi, cuaca menjadi semakin buruk dengan angin kencang dan hujan deras.Sam menelepon ayahnya bahwa ia akan pulang dengan kereta bawah tanah.Tapi Sam baru tahu bahwa Grand Central Station telah di tutup.Saat akan mengungsi di Perpustakaan Umum New York,suatu gelombang air pasang setinggi setengah Patung Liberty menerjang Manhattan.Sam dan temannya pun selamat setelah berhasil masuk ke Perpustakaan itu.
Sam menelpon ayahnya bahwa ia baik-baik saja dan ayahnya memperingatkan untuk tidak keluar dari gedung itu karna badai itu akan semakin parah.Sementara itu para korban selamat harus mengungsi ke Selatan.Sam mencoba memperingati mereka tapi mereka tidak percaya dan hanya beberapa orang yang ingin mempercayainya.Di perbatasan Meksiko banyak korban yang selamat masuk secara paksa dan ilegal.Jack yang pergi ke Manhattan untuk menyelamatkan Sam ditemani oleh Frank dan Jason.Tapi di perjalanan Frank terjatuh di sebuah atap kaca Pusat Perbelanjaan.Jack dan Jason mencoba menyelamatkan tapi Frank mengorbankan dirinya dengan memotong tali.
Sam dan kelompok kecilnya mencoba menghangatkan diri dengan membakar semua buku yang ada disitu dan mengambil makanan dari mesin penjual otomatis.Laura menderita keracunan darah sehingga Sam,Brian dan JD mencari penisilin di sebuah kapal kargo Rusia yang terbawa oleh air pasang.Saat berhasil mendapat makanan dan obat,mata badai superstorm melewati New York dan seluruh kota membeku dengan cepat.Merekapun tiba diperpustakaan dengan cepat dan berusaha menghangatkan diri dengan membakar buku.
Jack dan Jason yang bersembunyi kembali melanjutkan perjalanan dan sampai di perpustakaan dan menemukannya terkubur oleh salju,tetapi menemukan kelompok Sam hidup dan selamatkan. Presiden memerintah pencarian dan tim penyelamat untuk mencari korban lain, yang telah diberikan tahu oleh Sam. Film berakhir dengan dua astronot memandang pemandangan bumi dari Stasiun Luar Angkasa Internasional, menunjukkan mayoritas belahan bumi utara tertutup es.
