アレンデール王国の幼い王女、エルサとアナはとても仲の良い姉妹。
雪や氷を操る魔法の力をもつ姉のエルサは、ある夜、誤って妹のアナの頭に魔法を当ててしまう。
氷のように冷たくなったアナを助けるため、王妃は「隠れびと」を呼び寄せると、彼らの長パビーにより、アナにかけられた魔法とその記憶は取り除かれた。
自分の力に怯えるエルサは、魔法の力を消してほしいと懸命にパビーに頼むが、その力もエルサの一部であり、消すことはできないと告げられる。

王と王妃は、エルサが力をコントロールできるようになるまで城の門を閉ざし、すべての人々から魔力を隠すことを決意する。
その日からエルサは自分の部屋に閉じこもり、年を経るごとに強くなる魔力と孤独に、追い詰められていく。
一方、いくら呼んでも姿を見せない姉に、アナは寂しさを募らせる。
そんなある日、王と王妃は帰らぬ人となる。

やがて訪れた戴冠式の日。長い間閉ざされていた城の門が開く。
生まれて初めて訪れる自由に高揚していたアナは、飛び出した城の外で 、サザンアイルズのハンス王子、そして山男のクリストフに出会う。
一方、エルサは何とか無事に戴冠の儀式をやり遂げ、アレンデールの女王となった。

戴冠を祝うパーティの場で、久しぶりの姉妹の会話を楽しむ二人。
そのなかで、アナとハンスはすっかり意気投合し、結婚の約束をする。
アナはエルサに結婚の許しを得ようとするが、理解されず言い争いになり、感情を抑えきれなくなったエルサは城の広間中に氷の魔法を放ってしまう。
貿易相手国からやってきたウェーゼルトン公爵が怪物だと騒ぐのを後に、城を逃げ出すエルサ。

逃げ出した姉を追うアナは、クリストフと協力してエルサの行方を追うことに。
道中では、しゃべる雪だるま・オラフと出会う。それは、かつて姉妹で心を合わせて作った雪だるまだった。
夏だったはずのアレンデールの町がすっかり雪で覆われているのを目撃したアナは、姉の力の底知れなさを実感するが、話し合えば元に戻せると信じて進んでいく。

その頃、一人きりで自由に生きることを決意したエルサが、長年抑えていた魔法の力をすべて解き放つと、美しい氷の宮殿ができ上がるのだった。

氷の宮殿にたどり着いたアナたち。エルサの魔法の真実を知ったアナは、ようやくわかりあえた姉と離れたくないと懇願するが、エルサもまた妹を大事に想うあまり、ともにアレンデールに戻ることができない。
さらに、雪で国中が凍っていることを知った彼女は、絶望し再び感情を制御できなくなってしまう。
エルサの魔法が四方八方に放たれ、アナの心臓を直撃する。
エルサはクリストフにアナを託し、力をコントロールできない自分から遠ざけるため、 魔法で全員を宮殿の外に吹き飛ばす。

幼い頃に「隠れびと」に助けられ家族同様に育てられたクリストフは、彼らに助けを求める。
しかし魔法を受けたのが心臓であったことから、パビーには助けることができない。凍りついた心を溶かすことができるのは“真実の愛”だけと教えられたクリストフは、アナをハンスの元に送り届けることを決意する。

一方、アナの身を案じて、町の人々とともに山に向かったハンスもエルサの宮殿にたどり着く。
その一行の中には、エルサを捕らえようとするウェーゼルトンらの姿もあった。

はたしてアナは真実の愛によって、助かることが出来るのか。
そして、エルサの運命は――？