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Jack Hall est un paléoclimatologue américain. Ses collègues Frank Harris et Jason Evans forent des échantillons de carottes de glace sur le plateau de glace de Larsen pour la NOAA, lorsque le plateau se brise. Lors d'une conférence des Nations unies à New Delhi, Jack met en garde contre le réchauffement climatique imminent mais le vice-président américain Raymond Becker rejette ses préoccupations. Le professeur Terry Rapson, océanographe du centre Hedland en Écosse, se lie d'amitié avec Jack : lui-aussi croit à un changement climatique inévitable. Lorsque plusieurs bouées dans l'océan Atlantique montrent une forte baisse de la température de l'océan, le professeur Rapson conclut que les théories de Jack sont correctes. Les équipes de Jack et Rapson, ainsi que la météorologue de la NASA Janet Tokada, construisent un modèle de prévision basé sur les recherches de Jack. Un énorme système de tempête se développe dans l'hémisphère nord, se divisant en trois gigantesques tempêtes de type ouragan au-dessus du Canada, de l'Écosse et de la Sibérie. Les tempêtes attirent l'air congelé de la haute troposphère vers leur centre, gelant tout ce qui est pris dans leur centre avec des températures inférieures à −101 °C. Pendant ce temps, le temps empire à travers le monde ; Tokyo est frappée par une tempête de grêle géante, le niveau de la mer en Nouvelle-Écosse monte de 7,6 m en quelques secondes et Los Angeles est dévastée par une tornade. À la suite de cela, le président Blake émet un ordre exécutif pour que la FAA bloque tout le trafic aérien à travers le pays. À New York, le fils de Jack, Sam, et ses amis Brian Parks et Laura Chapman participent à un décathlon académique, où ils rencontrent un nouvel ami. New York est bientôt prise dans la tempête nord-américaine et le temps devient progressivement plus violent, entraînant une vague géante inondant Manhattan. Cela oblige le groupe de Sam à chercher un abri à la bibliothèque publique de New York, mais pas avant que Laura ne se blesse accidentellement la jambe. Alors que les communications par téléphone mobile sont en panne, Sam est en mesure de contacter Jack et sa mère Lucy, un médecin, via un téléphone public ; Jack lui conseille de rester à l'intérieur et promet de le sauver. Le professeur Rapson et son équipe périssent dans la tempête européenne. Lucy reste dans un hôpital s'occupant d'enfants cloués au lit, où elle et ses patients sont finalement secourus. Sur la suggestion de Jack, Blake ordonne que les États du sud soient évacués vers le Mexique ; la moitié nord du pays est condamnée à être frappée par la tempête, mais le gouvernement leur demande de chercher des abris et de rester au chaud. Jack, Jason et Frank se rendent à New York pour aller chercher Sam. En Pennsylvanie, Frank tombe à travers la lucarne d'un centre commercial, coupant sa corde pour empêcher ses amis de tomber avec lui. Dans la bibliothèque, la plupart des survivants, après avoir vu de nombreuses personnes des autres structures décider de se diriger vers le sud après le gel des eaux de crue, décident de faire de même malgré les avertissements de Sam ; seuls quelques survivants finissent par tenir compte des conseils de Sam pour rester sur place, brûlant des livres pour rester au chaud alors que les températures chutent. Pendant ce temps, Becker est informé que le cortège de voitures de Blake a été pris dans la tempête. Laura développe une septicémie à cause de sa blessure, après quoi Sam, Brian et JD explorent un cargo russe qui a dérivé dans la ville pour rechercher de la pénicilline, repoussant un groupe de loups qui se sont échappés du zoo de Central Park. L'œil de la tempête nord-américaine arrive, gelant Manhattan, mais le groupe de Sam rentre juste à temps avec les médicaments et la nourriture. De même, Jack et Jason se réfugient dans un restaurant abandonné de Wendy's. Jack et Jason continuent de se diriger vers New York après que l'œil du cyclone soit passé. Pendant leur voyage, ils rencontrent le groupe de personnes ayant quitté la bibliothèque, mortes gelées. Quelques jours plus tard, les orages se dissipent. Jack et Jason ont réussi à atteindre la bibliothèque, trouvant le groupe de Sam vivant. Becker, dans son premier discours en tant que président, présente ses excuses à la télévision pour son ignorance, promettant d'envoyer des hélicoptères pour secourir les survivants dans les États du nord. Le groupe de Jack et Sam est récupéré à Manhattan, où de nombreuses personnes ont survécu. Sur la Station spatiale internationale, les astronautes regardent avec stupeur la surface transformée de la planète, et avec de nouvelles calottes glaciaires générées par les tempêtes, s'étendant à travers l'hémisphère nord.