El rey Agnarr de Arendelle cuenta a sus hijas Elsa y Anna que su abuelo, el rey Runeard, forjó un tratado con la tribu vecina de Northuldra construyendo una presa en el Bosque Encantado (su tierra natal). Sin embargo, se produce una pelea que provoca la muerte de Runeard y enfurece a los elementos clásicos del bosque: tierra, fuego, agua y aire. Los elementos desaparecen y un muro de niebla atrapa a todos en el bosque; Agnarr escapa a duras penas, ayudada por un salvador desconocido.

Tres años después de su coronación, Elsa celebra el otoño en el reino con Anna, el muñeco de nieve Olaf, el hombre de hielo Kristoff y el reno de Kristoff, Sven. Una noche, Elsa oye una misteriosa voz que la llama. La sigue, despertando involuntariamente a los espíritus elementales y obligando a todos los habitantes del reino a evacuar. Llega la colonia de Trolls de la Roca y el Gran Pabbie les dice que Elsa y los demás deben arreglar las cosas descubriendo la verdad sobre el pasado. Elsa, Anna, Olaf, Kristoff y Sven siguen la misteriosa voz y viajan al Bosque Encantado. La niebla se deshace al contacto de Elsa, mientras que el espíritu del aire aparece como un tornado, atrapando a todos en su vórtice antes de que Elsa lo detenga formando esculturas de hielo. Ella y Anna descubren que las esculturas son imágenes del pasado de su padre, y se encuentran con los Northuldra y con una tropa de soldados arendelianos que todavía están en conflicto. Cuando aparece el espíritu del fuego, Elsa descubre que es una salamandra mágica agitada y la calma. Elsa y Anna consiguen una tregua entre los soldados y los northuldra tras descubrir que su madre, la reina Iduna, era una northuldra que había salvado a Agnarr (un arendeliano). Más tarde se enteran de la existencia de un quinto espíritu, que unirá al pueblo con la magia de la naturaleza.

Elsa, Anna y Olaf continúan hacia el norte, dejando atrás a Kristoff y Sven. Encuentran el barco naufragado de sus padres y un mapa con la ruta hacia Ahtohallan, un río mítico que se dice explica el pasado. Elsa envía a Anna y a Olaf a un lugar seguro y continúa sola. Encuentra y doma a Nøkk, el espíritu del agua que vigila el mar hasta Ahtohallan. Elsa descubre que la voz que la llama es el recuerdo de la llamada de la joven Iduna; sus poderes son un regalo de la naturaleza debido a que Iduna salvó a Agnarr desinteresadamente, y Elsa es el quinto espíritu. Se entera de que la presa se construyó como una treta para reducir los recursos de Northuldran, debido al desprecio de Runeard por la conexión de la tribu con la magia y su intención de destruirlos e incorporar su región al reino. Elsa se entera de que Runeard comenzó el conflicto matando a sangre fría al líder Northuldran, que estaba desarmado. Le envía esta información a Anna antes de que se congele (haciendo que Olaf se desvanezca) cuando se adentra en la parte más peligrosa de Ahtohallan.

Anna llega a la conclusión de que la presa debe ser destruida para que se restablezca la paz. Despierta a los Jötunn y los atrae hacia la presa. Los Jötunn lanzan rocas, destruyen la presa y envían una inundación por el fiordo hacia el reino. Elsa se descongela y regresa a Arendelle, desviando la inundación y salvando el reino. Cuando la niebla desaparece, se reúne con Anna y revive a Olaf; Anna acepta la propuesta de matrimonio de Kristoff. Elsa explica que ella y Anna son el puente entre el pueblo y los espíritus mágicos. Anna se convierte entonces en la reina de Arendelle; Elsa se convierte en la protectora del Bosque Encantado, que visita Arendelle desde que se ha restablecido la paz. En una escena posterior a los créditos, Olaf visita el palacio de hielo de Elsa y relata los acontecimientos a Marshmallow (un monstruo de nieve creado por Elsa como guardia del palacio) y a los Snowgies, muñecos de nieve en miniatura generados inadvertidamente por Elsa en el decimonoveno cumpleaños de Anna.