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Jack Hall (Dennis Quaid) é um climatologista em uma expedição na Antártida com os colegas, Frank (Jay O. Sanders) e Jason (Dash Mihok). Eles fazem a perfuração de amostras de gelo para o NOAA quando a calota de gelo se rompe e Jack quase cai para a morte. Mais tarde, em Nova Deli, Jack apresenta as suas conclusões sobre o aquecimento global numa conferência da ONU, mas não convence os diplomatas e irrita, especialmente, o vice-presidente dos Estados Unidos, Raymond Becker (Kenneth Welsh).

Entretanto, o professor Terry Rapson (Ian Holm) do Hedland Research Centre, na Escócia, acredita nas teorias de Jack. Várias boias no Atlântico Norte, começam a mostras ao mesmo tempo uma queda acentuada na temperatura do oceano, e Rapson conclui que o derretimento do gelo polar interrompeu a corrente do Atlântico Norte. Ele contacta Jack, cujo modelo climatológico mostra como as mudanças climáticas causadas na primeira Idade do Gelo podem acontecer de novo. Jack pensou que os acontecimentos levariam centenas ou milhares de anos para acontecer, mas sua equipe, juntamente com o meteorologista da NASA, Janet Tokada (Tamlyn Tomita) montam um modelo de previsão com os dados combinados e verificam que esse prazo é bem menor.

Em todo o mundo, o clima violento provoca destruição em massa, incluindo uma enorme tempestade de neve em Nova Deli, uma tempestade de granizo do tamanho de bolas de golfe em Tóquio, e uma série de tornados devastadores em Los Angeles. O presidente Blake (Perry King), autoriza a FAA para suspender todo o tráfego aéreo devido à turbulência severa. Na Estação Espacial Internacional (ISS), três astronautas assistem a um sistema enorme de tempestades no hemisfério norte, atrasando seu retorno a Terra.

Enquanto isso, o filho de Jack, Sam (Jake Gyllenhaal) está em Nova York para uma competição acadêmica com seus amigos Brian e Laura (Arjay Smith e Emmy Rossum), onde fazem amizade com um estudante chamado JD (Austin Nichols). Na deslocação para a competição