Em 1859, um meteorito colide com a geleira Gela Alta, no oeste da Groenlândia , causando uma enorme explosão que mata um pescador inuit .

Enquanto isso, na atual Copenhague , Smilla Jasperson estuda cristais de gelo em um laboratório da universidade. Especialista em gelo do Ártico, ela não é credenciada e se acha desempregada com um passado conturbado. Certo dia, ao retornar ao seu apartamento, ela encontra o corpo de seu vizinho, Isaiah Christiansen, um menino inuit de seis anos de idade, morto sobre a neve. A polícia lhe informa que o garoto estava brincando no telhado, quando caiu. Sabendo que o garoto tinha medo de altura, ela suspeita que ele estivesse fugindo de alguém.

No necrotério, Smilla conhece o Dr. Lagermann. Ao ver o corpo do garoto, ela recorda sua amizade com ele, quando tinha a oportunidade de ler, ou de levá-lo ao zoológico. Seu amor por esse filho negligenciado de uma mãe alcoólatra dera sentido à sua vida solitária. Ela fica surpresa ao saber que o Dr. Johannes Loyen, um proeminente professor, realizou a autópsia. No dia seguinte, ela visita Loyen, que afirma que a morte da criança foi um acidente. Não convencida, Smilla apresenta uma queixa ao Procurador Distrital. Em seguida, ela vai à casa de Lagermann em busca de mais informações, ocasião em que ele revela que descobriu uma ferida, na coxa do garoto, feita por uma agulha de biópsia após sua morte. Ele também revela que Loyen vinha examinando o garoto todo mês.

No funeral, Smilla observa o Dr. Andreas Tork tentando dar dinheiro para a mãe enlutada, que o rejeita com raiva. Mais cedo, lhe fora oferecida uma pensão da Greenland Mining, pela morte acidental de seu marido na Groenlândia. O detetive Ravn, do gabinete do promotor, chega ao apartamento de Smilla e concorda em investigar o caso, mas ela descobre que ele está envolvido com o Dr. Tork. Smilla rastreia a ex-contadora da empresa, Elsa Lübing, que a direciona para o Relatório de Expedição nos arquivos da empresa, e empresta a ela uma chave para o prédio. Ela entra, localiza o relatório e é surpreendida pelo vizinho, o mecânico, que a seguiu e agora oferece sua ajuda. Eles retornam ao seu apartamento onde ela compartilha o que havia descoberto. Em seguida, ela se encontra com seu pai, Moritz Jasperson, que concorda com a investigação.

Na Procuradoria Distrital, Ravn ameaça Smilla com a prisão, por roubar a propriedade da Mineração da Groenlândia. Ela concorda em suspender sua investigação, mas ao tomar conhecimento de que seu marido morrera por causa de algo na água, volta atrás. Em seguida, ela se encontra com seu pai, Moritz Jasperson, que concorda com a investigação.

Ao descobrir uma fita cassete escondida perto do antigo esconderijo de Isaiah, incapaz de entender o áudio, ela leva a fita para um especialista que, após limpá-la, revela uma conversa entre Isaiah e seu pai. Logo depois, o perito é assassinado e Smilla, com dificuldade, consegue sair com vida. Em companhia do mecânico, ela segue seus perseguidores até um navio, que está sendo preparado por Tork, para outra excursão à Groenlândia.

Enquanto isso, o pai de Smilla lhe mostra radiografias de vítimas do acidente ocorrido na Groenlândia, revelando a presença de um “verme ártico” pré-histórico letal, que se acredita estar extinto, o qual dentro de órgãos vitais de uma pessoa causa choque tóxico e morte.

No Casino Copenhagen, seu proprietário e amigo do mecânico, Birgo Lander, fornece informações à Smilla sobre o navio e aponta seu capitão como um jogador inveterado que está em dívida para com ele. Na ocasião, ele concorda em ajudá-la a embarcar no navio como uma empregada. Uma vez à bordo, Smilla conhece Nils Jakkelsen, que a ajuda a descobrir fitas de vídeo revelando a verdade sobre a operação na Groenlândia: a descoberta de um meteorito produtor de energia que, acredita Tork, dará à sua empresa uma posição dominante no mundo.

Enquanto o navio atravessa os densos blocos de gelo do Ártico, Smilla é perseguida pelos homens de Tork. Depois que Nils é morto, ela é ajudada pelo mecânico, que a seguiu secretamente. Na ocasião, ele revela que trabalha para o governo e que foi designado para investigar a Groenlândia.

Quando o navio se aproxima da costa, Smilla deixa a embarcação, seguindo as instruções do mecânico.  Assim, ela descobre a entrada da caverna onde a empresa está fazendo pesquisas sobre o meteorito que caiu em 1859. Dentro da caverna, ela é capturada pelos homens de Tork, mas em seguida é resgatada pelo mecânico. Por outro lado, ferido, Tork deixa o local, enquanto o mecânico dispara uma poderosa bomba que destrói a caverna. Como conseqüência, Tork morre afogado ao ser atingido pelas gigantes ondas que se formam.

No final, Smilla contempla a paisagem aparentemente infinita de gelo e neve, a terra de sua infância.