Film Big Miracle berlatar di sebuah kota kecil di Alaska pada tahun 1988. Adam Carlson, seorang reporter berita lokal, menemukan tiga paus abu-abu yang terjebak di tengah lapisan es yang semakin menutup di Lingkar Arktik.

Untuk menyelamatkan mereka, Adam mengajak mantan kekasihnya, Rachel, seorang relawan Greenpeace, untuk membantu kampanye penyelamatan tersebut. Ia kemudian memberi nama ketiga paus itu, Fred sebagai paus jantan, Wilma sebagai paus betina, dan anak mereka yang masih kecil, Bamm-Bamm.

Upaya penyelamatan ini akhirnya menarik perhatian banyak pihak yang biasanya saling berseberangan. Mulai dari para pemburu paus suku Inupiat, aktivis lingkungan Greenpeace, eksekutif perusahaan minyak, reporter ambisius, hingga Garda Nasional Amerika Serikat ikut terlibat.

Bahkan Presiden Amerika Serikat dan para politisi dari tingkat negara bagian hingga internasional juga turut memperhatikan situasi ini. Di tengah upaya tersebut, dua pengusaha dari Minnesota datang membawa mesin pemecah es yang membantu menjaga lubang di permukaan es tetap terbuka agar paus bisa bernapas.

Saat kondisi semakin genting, sebuah kapal pemecah es raksasa dari Uni Soviet akhirnya datang untuk menghancurkan penghalang es terakhir sebelum paus-paus itu kehabisan waktu. Upaya pertama kapal tersebut hanya meninggalkan sedikit retakan pada es.

Namun setelah usaha berulang, lapisan es akhirnya berhasil ditembus. Fred dan Wilma pun berhasil lolos dari jebakan es. Sayangnya, anak mereka, Bamm-Bamm, tidak selamat akibat luka yang dideritanya dan tidak muncul lagi ke permukaan.

Pada bagian epilog yang dinarasikan oleh Nathan, diceritakan bahwa McGraw memanfaatkan reputasi barunya untuk membantu menangani pembersihan tumpahan minyak Exxon Valdez. Karl dan Dean menjadi selebritas lokal berkat mesin pemecah es mereka.

Scott dan Kelly akhirnya menikah, sementara Jill berhasil meniti karier hingga menjadi reporter di jaringan berita nasional. Keanggotaan Greenpeace pun semakin dikenal luas. Adam akhirnya mengungkapkan cintanya kepada Rachel dan Rachel membalas perasaannya, ditutup dengan ciuman mereka berdua.

Adam juga berhasil mempertahankan posisinya sebagai pembaca berita. Nathan dan Malik pun menjadi semakin dekat, sementara Nathan mengenang kembali lubang di es tempat paus pertama kali ditemukan.