아렌델 왕국의 공주 엘사는 눈과 얼음을 만드는 초능력을 가지고 태어났다. 어느 날 밤, 엘사는 자신의 초능력을 이용해 동생 안나와 놀다가 실수로 안나의 머리에 치명상을 입히게 된다. 아렌델 왕국의 왕과 왕비는 트롤들에게 도움을 요청해 다친 안나를 치료하고, 안나의 머릿속에서 언니 엘사의 초능력에 대한 기억을 지워버린다. 이후 왕과 왕비는 엘사와 안나를 격리시킨다. 이 사건으로 정신적으로 큰 충격을 받은 엘사는 자신 때문에 또 다시 안나가 다칠까 봐 대부분의 시간을 자신의 방에서 보낸다. 안나와 엘사는 서로 떨어져 외롭게 성장하게 되고, 두 자매의 부모는 자매가 청소년기가 되었을 때 바다에서 폭풍우를 만나 사망한다.

3년 후, 아렌델 왕국은 어른이 된 엘사의 대관식을 준비한다. 성 밖으로의 외출이 허용되자 흥분한 안나는 곧바로 마을을 돌아 다니다 남부제도 출신의 한스 왕자와 만나게 되고, 서로에게 호감을 갖게 된다. 대관식이 이어지는 동안, 한스 왕자는 안나에게 청혼을 하고 안나는 성급하게 한스 왕자의 청혼을 수락한다. 엘사가 안나의 결혼을 반대하자 두 자매는 말 다툼을 하게 되고, 갈등이 극에 달했을 때 안나의 실수로 엘사의 마법이 모두에게 알려지게 된다.

공황 상태에 빠진 엘사는 북쪽 산으로 달아나고, 그 과정에서 의도치 않게 왕국에 영원한 겨울을 가져온다. 들키지 않기 위해 자신의 능력을 억압할 필요가 없어진 엘사는 얼음 궁전을 만들고, 무심코 어린 시절에 만들었던 것과 똑같은 눈사람 올라프에게 생명을 불어넣는다. 안나는 언니와의 관계를 회복하고 겨울을 끝내기 위해 엘사를 찾아 아렌델로 돌아오게 하기로 결심한다. 안나는 오큰의 거래소에서 준비물을 챙기는 중에 얼음 배달부 크리스토프와 순록 스벤을 만난다. 그들은 안나에게 원하는 물건을 받은 대가로 북쪽 산으로 가는 길을 안내해주게 된다. 도중에 올라프를 만난 일행은 그의 정체를 알게 되고, 올라프는 그들을 엘사의 궁전으로 데리고 간다.

엘사를 만난 안나는 왕국으로 돌아가자고 언니를 설득하지만, 엘사는 여전히 안나에게 상처를 입힐 것에 두려워 돌아가기를 거부한다. 안나의 집요한 설득에 엘사는 혼란에 빠지게 되고 뜻하지 않게 안나의 심장에 상처를 입힌다. 엘사는 거대한 눈 괴물을 만들어 안나와 크리스토프, 올라프를 쫓아낸다. 크리스토프는 안나의 머리카락이 하얗게 세는 것을 알아 차리고, 자신을 양자로 받아준 트롤 가족을 찾아가 도움을 청한다. 트롤들은 안나의 심장이 얼어붙었으며, "진정한 사랑의 행동"으로 녹이지 않으면 온 몸이 얼어 죽게 된다고 말한다. 한스 왕자와의 키스만이 안나를 구할 수 있다고 생각한 크리스토프는 안나를 데리고 아렌델 왕국으로 돌아간다.

한스 왕자는 안나를 찾기 위한 수색대를 이루어 엘사의 궁전에 도착한다. 뜻하지 않은 싸움 끝에 엘사는 정신을 잃고, 성의 감옥에 갇힌다. 감옥에 찾아온 한스 왕자는 엘사에게 겨울을 끝내주기를 부탁하나, 엘사는 되돌리는 방법을 모른다고 고백한다. 왕국에 도착한 크리스토프는 안나를 성으로 보낸 후 왕국을 떠난다. 안나는 자신의 목숨을 구하기 위해 한스 왕자에게 키스를 청하지만 거절 당한다. 한스는 남부제도를 통치할 수 있는 기회를 얻지 못해 대신 아렌델의 왕좌를 차지하기 위해 안나를 사랑하는 척 했음을 밝힌다. 한스 왕자는 안나가 죽도록 내버려둔 채 떠난 후, 엘사를 사형시키고 아렌델 왕국을 지배할 계획을 세운다.

엘사는 사형 당하기 전에 감옥을 탈출하여 피오르드의 눈보라 속으로 도망친다. 올라프는 안나를 풀어주고 크리스토프가 안나를 사랑한다는 사실을 가르쳐준다. 둘은 크리스토프를 찾기 위해 피오르드로 간다. 한스 왕자는 엘사와 만나고, 안나가 엘사 때문에 살해됐다고 말한다. 엘사가 절망에 빠지자 눈보라가 그치고, 안나와 크리스토프가 서로를 발견해 닿을 수 있는 기회가 생긴다. 하지만 한스 왕자가 언니를 암살하려는 모습을 발견한 안나는 크리스토프를 만나지 않고 그들 사이로 뛰어들어 언니를 살리는 선택을 하고, 바로 그 순간 얼어붙어 한스의 공격을 막는다. 엘사는 자신을 위해 희생한 얼어버린 안나를 부여잡고 오열한다. 하지만 잠시 후 안나는 다시 녹게 된다. 언니를 위한 자기 자신의 희생이야말로 진정한 사랑의 행동이었던 것이다.

사랑이 자신의 능력을 조절할 수 있는 열쇠라는 것을 깨달은 엘사는 왕국을 녹여 여름을 되돌리고, 올라프를 여름에도 녹지 않을 수 있게 해준다. 한스 왕자는 남부 제도로 끌려가 저지른 일에 대한 처벌을 받게 된다. 안나와 크리스토프는 사랑에 빠지고, 두 자매는 화해하게 되며, 엘사는 다시는 성문을 닫지 않을 것이라 약속한다.

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