In Hamburg beobachtet die zwölfjährige Sophie (JULIA KROMBACH) eine Sternschnuppe am Nachthimmel. Kurz darauf schlägt dieser glühende Meteorit in einen Alpengletscher ein und bringt das Eis zum Schmelzen.

Vom nahen Innsbrucker Naturhistorischen Museum aus beobachten der Wissenschaftler Czerny (CHRISTOPH WALTZ) und sein verschnupfter Assistent Heckl (GREGOR BLOÉB) den Einschlag. Am nächsten Tag forschen sie auf dem Gletscher nach, finden den Meteoriten zwar nicht, dafür aber ein erstaunlich gut erhaltenes Bärenfell aus prähistorischer Zeit – mit Zeichnungen von Menschenhand.

Sophie kann den Tod ihrer Mutter nicht verwinden. Ihr Vater Tom (HANS WERNER MEYER) hat inzwischen eine neue Frau gefunden, aber Sophie will von ihrer Stiefmutter Christine (LENA STOLZE) und Stiefschwester Lissy (PAULA NOCKER) nichts wissen und zieht sich immer mehr in sich selbst zurück. Natürlich hat sie auch keine Lust auf den gemeinsamen Urlaub in den Bergen bei Innsbruck, aber der Vater lässt ihr keine Wahl. Toms Frau Christine war nämlich früher mit dem Museumskurator Czerny verheiratet, und in den gemeinsamen Ferien der Patchwork-Familie ergibt sich so eine seltene Gelegenheit für den Wissenschaftler, ein paar Tage mit seiner kleinen Tochter Lissy zu verbringen.

Während die Familie zu einer entlegenen Berghütte wandert, stoßen die beiden Wissenschaftler auf sonderbare Spuren – und Heckl entdeckt in der Ferne eine Gestalt: Ein Neandertaler, vermutet er verblüfft, der im Eis des Gletschers eingefroren war und den der Meteoriteneinschlag zu neuem Leben erweckt hat.

Sophie ärgert sich über Christines durchschaubare Bemühungen, ihr näher zu kommen. Als Sophie sich heftig mit Lissy zankt und ihr Vater ihr auch noch in den Rücken fällt, verschwindet sie nachts heimlich aus der Berghütte, um alleine ins Tal abzusteigen und mit der Bahn nach Hause zu fahren. In der unheimlichen nächtlichen Berglandschaft begegnet sie überraschend einem äußerst merkwürdig aussehenden Jungen (CLARENCE JOHN RYAN). Vor Schreck stürzt sie, verletzt sich am Kopf und verliert das Bewusstsein.

Als Sophie morgens erwacht, befindet sie sich weitab in der Wildnis, und der fremde Junge hat neben ihr ein Lagerfeuer entzündet. Geschickt behandelt er ihren verstauchten Knöchel mit Kräutern, er sammelt Blaubeeren und jagt einen Berghasen, um ihren Hunger zu stillen. Sophie versteht seine urtümliche Sprache nicht. Dennoch beginnen sie sich nach anfänglicher Scheu und Vorsicht schnell zu verständigen, und sie erfährt, dass er Bataa heißt.

Bataa kommt in der Natur bestens zurecht, aber die Dinge der modernen Welt, die Sophie bei sich hat, sind ihm ein Rätsel. Obwohl sie aus verschiedenen Welten kommen, merkt Sophie schnell, dass es auch Gemeinsamkeiten gibt: Genau wie sie fühlt sich Bataa verlassen und sehnt sich nach seiner Familie. Eines der Wörter, die Sophie in Bataas Sprache lernt, ist „Mmallamm“ – es bedeutet Vertrauen, Familie, Liebe: etwas, was sie beide suchen.
Bataas größtes Problem: Er vermisst sein Bärenfell, ohne das er seinen Ahnen nicht folgen kann. Deshalb baut er fieberhaft eine Fallgrube, indem er einen Erdspalt mit Zweigen abdeckt und einen Köder auslegt: Er will einen Bären fangen.
Unterdessen haben Tom und seine Familie bemerkt, dass Sophie verschwunden ist. Sie alarmieren die Bergwacht, und unter kundiger Führung machen sie sich auf die Suche nach ihr. Gleichzeitig sind auch Czerny und Heckl ihrer Sensation auf der Spur und wollen ihn mithilfe eines Betäubungsgewehrs einfangen. Während aber Heckl nur am Entdeckerruhm interessiert ist, lässt sich Czerny auch menschlich von Bataas Schicksal anrühren, als er ihm in den Bergen plötzlich gegenübersteht. Er möchte mit ihm kommunizieren, und es gelingt ihm sogar, ein paar Schnalzlaute zu äußern, die denen von Bataa ähnlich sind. Doch Heckl und das schrille Klingeln eines Handys unterbrechen diese zaghaften Annäherungsversuche.

Sophie erkennt die Gefahr für Bataa, die von den Wissenschaftlern ausgeht, und flieht mit ihm. Bei der Verfolgung stürzt Heckl in die Bärenfalle. Bataa sucht Schutz an einem Ort, den er beschwörend „Mmba-uuf“ nennt. Sophie möchte ihm helfen, versteht aber buchstäblich nur „Bahnhof“. Doch der Bahnhof ist im Tal, während Bataa immer wieder Richtung Berggipfel zeigt: Sein Bahnhof ist ganz weit oben. Er führt Sophie zu einem verschütteten Höhleneingang, den er verzweifelt freizulegen versucht. Als er Sophie vor einem Hubschrauber schützen will und dieser weiterfliegt, ohne sie zu bemerken, trennt Sophie sich verärgert von Bataa und steigt allein ab. Aber schon bald packen sie die Gewissensbisse, Bataa zurückgelassen zu haben.

Sophie stößt auf die Hütte des Einsiedlers (VADIM GLOWNA), der sie zunächst barsch abweist. Aber er hat ihren verlorenen Rucksack mit dem Handy ihres Vaters entdeckt, dessen PIN-Code Sophie allerdings nicht kennt. Der Einsiedler empfiehlt ihr, sich in ihren Vater hineinzudenken, um den Code zu erfahren. Das gelingt ihr natürlich nicht. Der Einsiedler hat am Gletscher außerdem den elektrisch geladenen Meteoriten gefunden, dem Bataa sein neues Leben verdankt.

Der Einsiedler ist auch der Einzige, den Bataas Auftauchen nicht überrascht. Er kennt einen zweiten, versteckten Eingang in Bataas „Mmba-uuf“, hat die Höhle längst erkundet und ihre Höhlenzeichnungen interpretiert. Er weiß, dass Bataas Stamm, der Clan der Bärenmenschen, in grauer Vorzeit von einem stärkeren Volk aus dem Tal bedroht wurde und sich in die Höhle zurückziehen wollte, als Bataa in die Gletscherspalte stürzte und einfror. Sophie kann den Einsiedler, der sich als Wächter des Neandertaler-Erbes versteht, dazu bewegen, sie zurückzubegleiten und zusammen mit Bataa in die versteckte Höhle zu führen.

Bataa ist überglücklich, an die heilige Stätte der Neandertaler zu gelangen, wo sich die versteinerten Mumien seiner Vorfahren befinden. Hier findet er auch Lapislazuli-Gestein, das er zu Pulver zerstößt, um sich Haut und Haare rituell blau zu färben.
Doch um seiner Sippe spirituell nahe zu sein und ihr „nachreisen“ zu können, braucht er unbedingt ein Bärenfell. Als Sophie und der Einsiedler Bataa klarmachen, dass es keine wilden Bären mehr gibt, ist er untröstlich. Sophie erinnert sich an das von Czerny und Heckl gefundene Bärenfell, das sie im Museum gesehen hat. Mit der Aussicht, sein Fell wiederzubekommen, bringt sie Bataa dazu, ihr ins Tal zu folgen.

In der Zivilisation ist der Junge aus der Urzeit nun ganz auf Sophie angewiesen. Staunend erfährt er, dass die gehörnten Tiere auf der Alm harmlose Kühe sind, er lernt die Faszination unsichtbarer Glasscheiben kennen – und die kreischenden Bremsen eines Zuges setzen seinen hochempfindlichen Ohren derart zu, dass er zusammenbricht. Zunehmend macht ihm ein Grippevirus zu schaffen, mit dem er sich bei der ersten Begegnung mit dem rabiaten Heckl infiziert hat.
Als Sophie und der geschwächte Bataa das Museum erreichen, werden sie von Heckl entdeckt, der endlich seine große Stunde gekommen sieht. Sophie braucht jetzt dringend die Hilfe ihrer Familie. In ihrer größten Not fällt ihr der PIN-Code ihres Vaters ein: das Geburtsdatum ihrer Mutter! Sie kann telefonieren und ihren Vater alarmieren. Tom eilt sofort mit Christine, Lissy und Czerny ins Museum, und gemeinsam befreien sie Bataa.

Endlich begreift Sophie, dass „Mmallamm“ auch für sie unverzichtbar ist und dass ihre neue, zusammengewürfelte Familie ihr doch Einiges davon geben kann. Aber noch ist ihre Aufgabe nicht erfüllt: Sie muss die Erwachsenen überzeugen, ihre eigenen Interessen zurückzustellen, damit der schwerkranke Bataa mit seinem Fell in die Höhle seiner Ahnen zurückkehren kann ...