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Während Ben und Till die Rakete untersuchen, werden sie von einem Team der Internationalen Friedenssicherungskräfte unter Admiral Anton Milius überfallen, der auch die Kontrolle über den ''Snowpiercer'' übernimmt. Neun Monate später sind Layton und Josie ein Paar und gehören zusammen mit Ruth, Roche, Javi und Alex dem Stadtrat von New Eden an. Alex fehlt oft und sorgt sich zunehmend über eine Serie von Erdbeben in der Gegend, die sie gemeinsam mit Boki untersucht. Zudem leidet Alex unter rätselhaften Nasenbluten.
Oz hat sich zum Trinker und Einzelgänger entwickelt. Er ist überzeugt, dass ihm LJ erscheint und alle auf dem ''Snowpiercer'' tot sind. Während Layton daran arbeitet, die Brücke zu reparieren, ist nicht jeder von der Rückkehr des ''Snowpiercer'' begeistert. Nach einer kurzen Nachricht von ''Snowpiercer'' geschehen in New Eden seltsame Ereignisse, die Layton als Sabotage vermutet.
Eine schwer verletzte Miss Audrey kommt mit einer Gleiskarre an und warnt davor, dass jemand kommt. Mit der Hilfe von Frau Headwood entführt einer von Milius' Männern Liana und schlägt Roche bewusstlos. Als Zarah versucht, ihn aufzuhalten, wirft der Mann sie von einer Klippe. Bevor sie stirbt, kann Zarah Josie und Boki warnen. Layton schwört, Liana zu finden und Rache zu nehmen.
In einem Rückblick stürmen Milius’ Truppen den Maschinenraum, wobei Till verletzt wird, als sie Melanie und Miles warnen will. Audrey drückt einen Panikknopf, was Melanie veranlasst, Miles in Sicherheit zu schicken und sich im Maschinenraum zu verbarrikadieren. Milius zwingt Melanie jedoch zur Aufgabe, indem er Bennett bedroht. Bennett und Melanie gelingt es, einen der Entführer zu töten und zu entkommen. Aus Wut sperrt Milius 100 Passagiere in einen eisigen Waggon, um Melanie zur Kapitulation zu bewegen. Dennoch schafft es Melanie, heimlich in den Maschinenraum zu gelangen und die Passagiere zu retten, als der ''Snowpiercer'' in einem massiven unterirdischen Bunker in einem Berg in Dschibuti andockt.
Dr. Nima Rosseau, eine ehemalige Kollegin von Melanie, offenbart, dass sein Forscherteam, bestehend aus den besten Wissenschaftlern der Welt, die bei Beginn des Freezes in den Bunker evakuiert wurden, einen Weg gefunden hat, das CW-7 in der Atmosphäre aufzulösen. Dadurch entstehen warme Stellen wie in New Eden, doch sie benötigen den ''Snowpiercer'', um es weltweit zu verteilen und den Frost zu stoppen. Melanie glaubt an Nimas Arbeit und stimmt zu, ihm zu helfen. Sie handelt einen Deal mit Milius aus.
Neun Monate später wird Audrey von Bennett und Till in die Spurlanze gestartet, um New Eden zu warnen. Miles hat nämlich von einem geplanten Überfall Milius’ auf die Kolonie erfahren. Audrey wird beim Start verletzt. In der Gegenwart erzählt Audrey den erstaunten Einwohnern von New Eden die Geschichte dessen, was auf dem ''Snowpiercer'' geschehen ist.
In der inzwischen einem virtuellen Arbeitslager ähnelnden Welt von "Snowpiercer" werden Bennett und Till von Milius beauftragt, das letzte Fahrzeug mit einem angeblichen Dünger zu verkabeln. Doch schnell wird klar, dass es sich um eine chemische Waffe handelt. Bei einem missglückten Versuch, diese gegen Milius einzusetzen, erfährt Till von Nima, dass Audrey es nach New Eden geschafft hat. Bennett und Till erkennen, dass die Falle für "Big Alice" gedacht ist, da sie Milius gezwungen haben, seinen Zeitplan durch den Einsatz von Audrey zu beschleunigen.
Unterdessen versucht der aufgeregte Layton verzweifelt, "Big Alice" nach "Snowpiercer" zu steuern, was jedoch auf den Widerstand von Ruth stößt. Ihr ist die Sorge um die Kolonie und die Auswirkungen, die der Verlust des Engines auf diese haben könnte, wichtiger. Laytons Verhalten belastet zudem die Beziehung zu Josie. Javi gelingt es, eine Stromversorgung für drei Wochen ohne den Engine sicherzustellen. Der einfühlsame Roche überzeugt schließlich Ruth und Layton, die Entscheidung vor der Gemeinschaft von New Eden abzustimmen, anstatt eigenmächtig zu handeln. Layton wird gestattet, den Engine und vier Wagen zu nehmen, muss jedoch innerhalb von drei Wochen zurückkehren.
Die Tailies, Alex und überraschend auch Ruth melden sich freiwillig für Laytons Mission. Bevor sie aufbrechen, teilt Alex Javi mit, dass ihre Daten darauf hindeuten, dass der warme Bereich in New Eden möglicherweise nur vorübergehend sein könnte.
Eine Woche nach der Abfahrt von ''Big Alice'' steht New Eden vor schwierigen Wetterbedingungen, die die Energiesicherheit der Kolonie bedrohen. Während Oz auf Patrouille ist, entdeckt er eine abgetrennte Hand. Beim erneuten Untersuchen des Fundorts mit Roche wird Oz von ihm getrennt: Er hört eine Frauenstimme im Radio, während Roche in der Nähe etwas entdeckt. Javi ist gestresst und streitet mit Sykes, die darunter leidet, dass ihr wegen ihrer Vergangenheit als Wilfordite misstraut wird. Die beiden versöhnen sich, und Javi bittet Sykes, bei der Untersuchung der Hand zu helfen. Sie entdecken einen Zugangschip von ''Snowpiercer'' in der Hand, was zeigt, dass sie von einem ihrer eigenen Leute stammt.
''Big Alice'' holt ''Snowpiercer'' ein, und Layton und Josie wagen einen Sprung zwischen den Zügen, um an Bord zu gelangen. Mit Unterstützung von Verbündeten unter den Passagieren rettet Josie Till und Miles, wird jedoch selbst gefangen genommen. Um zu verhindern, dass Milius seine Falle zuschnappen lässt, tötet Nima ein Mitglied des Animal Squad und offenbart Layton deren wahre Mission, wodurch Layton entkommen kann. Es stellt sich heraus, dass der Animal Squad aus Menschen besteht, die von Nimas Team experimentell verändert wurden. Milius zwingt ''Big Alice'', ''Snowpiercer'' zu verfolgen, und bietet an, Liana gegen ''Big Alice'' einzutauschen – wobei er behauptet, Liana nicht bei sich zu haben, aber wissen, wo sie sei.
Milius gibt Layton die Möglichkeit, mit Liana zu sprechen. Daraufhin akzeptiert Layton das Angebot und übergibt ''Big Alice''. In der Zwischenzeit wird Wilford, der von Milius' Truppen gerettet wurde, als der Drahtzieher hinter Lianas Entführung enthüllt. Er lässt Mrs. Headwood Josies Blut für seine Zwecke sammeln. Trotz der Gefahr beschließt Alex, Wilford bei seiner Mission zuzuhören und bleibt im Silo bei ihm.
Ruth, Bennett und Till initiieren einen Ausbruch. Sie entwenden ''Big Alice'' und nehmen einige ''Snowpiercer''-Passagiere mit, darunter auch Doctor Pelton, Tristan und Miles. Bennett opfert sich auf, um ''Snowpiercer'' von ''Big Alice'' zu trennen, indem er einen manuellen Override durchführt und dabei erfriert. Dennoch bringt Milius Layton zu Liana, die jetzt unter Wilfords Obhut steht.
Nima spricht Alex auf ihre wiederkehrenden Nasenbluten an und deutet an, dass ihm die mögliche Instabilität von New Eden bekannt ist.
Vor elf Monaten wurde Wilford von Milius' Truppen gefunden. Heimlich unterzog er sich einer Behandlung bei Headwood und arbeitete daran, seine Autorität zu festigen. Wilford und Layton werden in Level 3 gebracht, wo Milius versucht, sie dazu zu bringen, sich gegenseitig zu töten. Nach einer Begegnung mit gezeichneten Überlebenden bilden die beiden Männer widerwillig eine Allianz, um zu entkommen. Nima erklärt Alex, dass ihre Nasenbluten eine toxische Nebenwirkung von Gemini sind, der Verbindung, die CW-7 aufspaltet. Nach einem Chemieunfall führt Nimas Team Experimente an den Bewohnern von Level 3 durch, um Gemini zu verfeinern. Milius verkündet, dass Melanie zurückgekehrt ist und die Mission beginnen kann.
Auf der "Big Alice" kämpfen die Passagiere mit knappen Ressourcen und gedrückter Stimmung nach ihrem Überlebenskampf. Ruth und Till motivieren die Passagiere, eine Inschrift über dem Steuer als Ehrung für Bennetts Opfer anzubringen. Während sie den noch vermissten Roche suchen, stößt Oz auf den ehemaligen Jackboot Stu Whiggins, der sich als die Quelle der abgetrennten Hand herausstellt. Stu gesteht schließlich, dass Milius' Truppen ihn geholt hatten, um Zarah und Headwood für sie zu identifizieren, doch er verlor seine Hand bei der Flucht, nachdem er von Zarahs Tod erfahren hatte. Aufgrund eines Hinweises von Stu entdeckt Oz Sprengstoff, der am Berghang platziert wurde und droht, die Stadt mit einer Lawine zu begraben.
Vor drei Jahren vergiftete Captain Milius die Bewohner von Level 3, darunter den früheren Admiral und seine eigene Frau, um die Macht an sich zu reißen. Melanie kehrt mit großen Sorgen um Geminis Sicherheit ins Silo zurück, basierend auf ihren Daten. Gemeinsam schaffen es Layton und Wilford, aus Level 3 zu entkommen und Melanie über die aktuellen Ereignisse zu informieren. Als Layton Josie und Liana aus Headwoods Fängen rettet, trifft Melanie wieder mit Alex zusammen, der ihr Bennetts Tod und seine Untersuchungen über das ungewöhnliche Wetter von New Eden offenbart. Melanie erkennt alarmiert, dass Gemini die Atmosphärenerosion verursacht, was das Ende allen Lebens auf der Erde bedeuten wird, wenn der Start nicht gestoppt wird. Doch Nima weigert sich zuzuhören, betäubt Melanie und kapert den ''Snowpiercer''.
Wilford stellt Milius zur Rede und überwindet ihn mit der Hilfe von Headwoods Kältebehandlung, was dazu führt, dass Milius erfriert. Als Layton Wilford für seine Verbrechen zur Rechenschaft ziehen will, begeht Wilford Selbstmord mit einem vergifteten Joint und enthüllt dabei, dass Nima der Erfinder von CW-7 ist, das die Eiszeit verursachte. Nima lässt daraufhin die Wagen mit Laytons Familie abkoppeln, was sie dem Erfrieren preisgibt. ''Big Alice'' erreicht fast ohne Energie das Gebiet von New Eden, doch der Zug wird durch eine Falle auf den Schienen gestoppt. Javi versucht, die Bombe zu entschärfen, aber sie explodiert.
Javi überlebt die Explosion mit lediglich einer Gehirnerschütterung und ''Big Alice'' erreicht schließlich New Eden mit den geretteten Passagieren des ''Snowpiercer''. Laytons Überleben hing an einem seidenen Faden, als er nahezu erfroren in einem abgetrennten Abschnitt von ''Snowpiercer''-Wagen gefunden wird. Glücklicherweise entdeckt Roche ihn durch seinen Notruf. Er berichtet, dass er von den Truppen von Milius festgehalten wurde, aber im Chaos entkommen konnte.
Unterdessen bereitet sich Nima auf eine Invasion von New Eden vor, um ''Big Alice'' zurückzuholen. Sie betont, dass sie, sollten sie ihr Startfenster verpassen, fünf Jahre warten müssten, um es erneut zu versuchen. Alex, die ihre Freunde retten will, stimmt widerwillig zu, ihrer Gemeinschaft zu helfen, sich einzuschleichen. New Eden bereitet sich auf eine Belagerung vor und zieht den Zug in die Stadt, um ein einfaches Zünden der Bomben am Berghang zu verhindern.
Während Javi daran arbeitet, die Bomben zu entschärfen, trifft Till auf die deprimierte Audrey. Nachdem Alex beim Einschleichen erwischt wird, eröffnet ein Scharfschütze das Feuer, was die Schlacht um New Eden entfacht. Inmitten des Chaos wird Alex unter Waffengewalt gezwungen, die Weichen für ''Big Alice'' umzuschalten, aber sie zögert.
Alex zerstört den Weichencomputer und entkommt mit Laytons Hilfe. Oz lenkt mithilfe eines IPF-Funks den Scharfschützen ab, während Till ihn überraschend angreift. Dabei entdeckt Oz, dass Buffalo, die Ingenieurin der Irish Animal Squad, die Quelle der Stimme ist, die er in den Hügeln gehört hatte. Sie hatte jedoch nicht absichtlich mit ihm gesprochen. Till gelingt es, den Scharfschützen und den Soldaten Rat, der Zarah ermordet hatte, zu töten.
Nima gesteht, das Forschungsteam geleitet zu haben, das CW-7 entwickelt hatte, doch weigert er sich, seine Fehler einzugestehen. Er plant, das Projekt Gemini um jeden Preis zu lancieren. Melanie beschließt, Nima vorerst zu unterstützen, indem sie ihn dazu bewegt, New Eden mit Schlafgas anzugreifen, statt frontal anzugreifen. Sie schmiedet mit Alex und Layton den Plan, den Zug von ihm zurückzuerobern.
Melanie enthüllt, dass Nima tatsächlich Alex' biologischer Vater ist, da er als Samenspender für Melanie fungiert hatte. Nima gelingt es, "Big Alice" zu stehlen, doch Layton und eine Anzahl an Kämpfern stürmen den Zug, nachdem sie herausgefunden haben, dass die Soldaten keine Munition haben. Die zurückgelassenen Soldaten ergeben sich an New Eden.
Nima versucht, die Bomben in den Hügeln zu zünden, wird jedoch von einem von Javi platzierten Störsender vereitelt, was Melanie und Alex die Gelegenheit zur Flucht bietet.
Nima verlässt "Big Alice", nachdem er die Steuerung entfernt hat, was Melanie und Alex daran hindert, ihn aufzuhalten. Unterdessen kämpft Laytons Gruppe sich durch den Zug. Ruth wird gefangen genommen und zu Nima gebracht, der ihr anbietet, "Big Alice" aufzugeben, wenn sie nach dem Start von Gemini hilft, Ordnung herzustellen. Doch Ruth entkommt mit Hilfe von Z-Wreck und Sykes. Sie versammelt die verbleibenden Passagiere zum Aufstand.
Headwood schafft es, Rat wiederzubeleben, aber Layton und Boki töten ihn schließlich. Josie, getrieben von Rache, stellt Headwood zur Rede. Doch als sie deren Schmerz erkennt, kehrt ihr Mitgefühl zurück, und sie lässt die Wissenschaftlerin am Leben. Ausgerüstet mit Raupenketten, um den Ozean zu überqueren, erreicht der "Snowpiercer" den Startpunkt. Nima erkennt seine Fehler zu spät und erfriert freiwillig, während der Start des "Icebreaker" aufgrund von Alex' Sabotage scheitert.
Der Zug wird zurückerobert und die Gemeinschaft reist nach New Eden, um sich dauerhaft niederzulassen, obwohl unklar ist, wie lange der warme Ort bestehen bleibt. Der "Snowpiercer" muss vorerst eingeschränkt seine Runden drehen, bis er umgebaut werden kann, um die Stadt mit Energie zu versorgen. Während alle feiern, wachsen fern von New Eden Blumen, was darauf hinweist, dass die Erde von selbst wärmer wird und neues Leben auf dem Planeten erblüht.