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In un flashback ambientato prima degli eventi narrati nel primo film, re Agnarr di Arendelle racconta una storia alle sue figlie, Elsa e Anna, secondo cui il nonno paterno, il re Runeard, stabilì un trattato di pace con la tribù dei Northuldri costruendo una diga nella loro terra natale, la foresta incantata. Tuttavia, per ragioni ignote, si verificò uno scontro in cui Runeard morì. Gli elementi di terra, fuoco, acqua e aria della foresta scomparvero ed un muro di nebbia intrappolò tutti nella foresta incantata. Agnarr riuscì a scappare in extremis grazie all'aiuto di un ignoto salvatore.

Tre anni dopo l'incoronazione, Elsa vive nel palazzo reale di Arendelle con Anna, il pupazzo di neve Olaf, Kristoff e la sua renna Sven. Una notte, Elsa ode un suono melodioso che la chiama, la segue e risveglia involontariamente gli elementi, che tolgono ad Arendelle l'acqua e il fuoco e la sottopongono a un terremoto e a fortissime raffiche di vento, costringendo tutti gli abitanti del regno a evacuare la città.

Elsa, Anna, Olaf, Kristoff e Sven si incamminano così nella foresta incantata per scoprire la verità sul passato del regno. Dopo che il muro di nebbia si separa al tocco di Elsa, l'elemento dell'aria, rappresentato da una scia di foglie mosse dal vento, si trasforma in un tornado, che spazza tutti nel suo vortice. Elsa lo ferma coi suoi poteri, formando una serie di sculture di ghiaccio. Le sorelle scoprono che le sculture sono immagini del passato del padre e che la madre, la regina Iduna, era la Northuldra che ha salvato Agnarr. Incontrano poco dopo gli abitanti della foresta e una truppa di soldati di Arendelle anch'essi rimasti intrappolati nella foresta. Arriva poi l'elemento del fuoco, una piccola salamandra agitata, che Elsa riesce a calmare. Le due sorelle organizzano una tregua tra i soldati e gli abitanti della foresta spiegando che la loro madre era una Northuldra e il loro padre era di Arendelle. Il gruppo di amici grazie ad una ragazza Northuldra apprende l'esistenza di un quinto spirito ancora ignoto, in grado di riportare l'armonia tra gli altri quattro: Elsa crede che la misteriosa voce appartenga a questo.

Elsa continua a dirigersi a nord con Anna e Olaf, lasciando indietro Kristoff e Sven. I tre trovano sulla baia il relitto della nave dei genitori, al cui interno trovano una mappa con la rotta per Ahtohallan, un fiume mistico di cui la madre aveva raccontato che conteneva tutte le risposte sul passato. Elsa capisce che i genitori erano partiti per trovare spiegazioni sui poteri della figlia, così decide di continuare da sola l'avventura per non mettere in pericolo Anna e Olaf. Elsa incontra e doma il Nøkk, l'elemento acquatico rappresentato come un cavallo. Col suo aiuto, la regina raggiunge Ahtohallan, che in realtà è un ghiacciaio, dove sono racchiusi tutti i ricordi, visto che, come detto da Olaf, l'acqua ha memoria, e rivede tutti i ricordi della sua infanzia e quanto accaduto prima della sua nascita. Scopre quindi che la voce che la chiamava appartiene allo spirito di Iduna, rifugiatosi ad Ahtohallan, e che la Northundra richiamava a sé la figlia affinché giungesse nel magico luogo che l'aveva benedetta perché accettasse pienamente sé stessa e diventasse così il Quinto Spirito.

Poco dopo, sebbene al costo di evitare l'avvertimento di una canzone della sua infanzia, ed introducendosi nel cuore più profondo di Ahtohallan, Elsa scopre che la diga è stata costruita da Re Runeard non come un dono, ma un modo per ridurre le risorse dei Northuldri: l'uomo era convinto che la connessione con gli elementi naturali potesse condurre i Northuldri a prendere il controllo sul suo regno, inoltre uccise a tradimento il capo che era disarmato e questo fu il misterioso evento che diede inizio al conflitto. Il gelo causato da quel ricordo è troppo perfino per Elsa, che nell’essersi spinta fin troppo nelle viscere di Ahtohallan, si trasforma in ghiaccio; la ragazza riesce comunque a usare i suoi poteri per trasmettere il ricordo ad Anna poco prima di venire congelata definitivamente, cosa che porta anche alla scomparsa di Olaf.

Anna riceve il messaggio di Elsa e conclude che la diga deve essere distrutta per ripristinare la pace, anche se ciò comporterà la distruzione di Arendelle, che sarà travolta dall'irrompere del fiume nel fiordo. Anna trova e risveglia i giganti della terra e li attira verso la diga, per fare in modo che distruggano la diga lanciando enormi massi contro di essa. Questo ha come risultato un'inondazione che invade il fiordo e punta verso Arendelle: Elsa si scioglie e il fondo di Ahtohallan si rompe, facendola sprofondare in acqua. La ragazza viene salvata dal Nøkk e in groppa ad esso, torna nel suo regno in tempo per frenare l'onda che spazzerebbe via Arendelle.

Mentre il muro di nebbia scompare, le due sorelle si riuniscono e Olaf si rigenera. Kristoff propone ad Anna di sposarlo, e lei accetta. Elsa spiega che lei e Anna sono ora il ponte tra le persone e gli elementi della natura. Anna, che si è comportata in maniera saggia e responsabile, diventa la nuova regina di Arendelle, mentre Elsa si stabilisce nella foresta incantata per tenere in equilibrio gli elementi.

In una scena dopo i titoli di coda, Olaf visita il vecchio palazzo di ghiaccio di Elsa e racconta a Marshmallow e agli Snowgies gli eventi che ha vissuto.