Die arbeitslose, zurückgezogen lebende Wissenschaftlerin Smilla Jaspersen wuchs im Volk der Inuit auf, zu dem ihre Mutter gehörte. Diese starb, als Smilla noch ein Kind war, und ihr Vater, ein dänischer Arzt, nahm sie daraufhin mit nach Kopenhagen, wo sie im dortigen Leben Schwierigkeiten hat, sich anzupassen.
Es ist Winter in Kopenhagen. Ein kleiner Inuk-Junge, Isaiah Christiansen, der unter Jaspersen, der Protagonistin, wohnt und mit dem sie sich angefreundet hat, fällt vom Dach des Hauses und stirbt. Sie sieht die Spuren des Jungen im Schnee auf dem Dach und ist entgegen der offiziellen Version davon überzeugt, dass der Junge ermordet wurde. Sie setzt alles daran, die Sache aufzuklären.
Jaspersen erfährt, dass der Tod des Jungen im Zusammenhang mit einer Expedition in die Arktis stehen könnte: Der Vater des Jungen war an dieser Expedition beteiligt und dabei an den Folgen eines Unfalls gestorben. Seitdem bezahlte die Organisation Greenland Mining, die die Expedition durchführte, eine beträchtliche Witwenrente an die Mutter. Außerdem hatte der Junge seinen Vater auf der Expedition begleitet und ist seither monatlich von einem Arzt untersucht worden, der dann auch die Obduktion übernommen hat und Informationen daraus vertuscht.
Jaspersens Nachbar, der auch Mechaniker genannt und dessen eigentlicher Name nicht erwähnt wird, hilft ihr bei den Ermittlungen, und nach einigen Annäherungsversuchen seinerseits verliebt sie sich in ihn.
Im Treppenhaus, in dem Jaspersen einmal sah, wie der Junge sich versteckte, findet sie ein Tonband hinter einer losen Wandfliese. Da die Kassette aber einige Zeit neben dem Sicherungskasten lag, kann man außer Rauschen kaum noch etwas hören, sodass sie zu einem Spezialisten geht; einem Blinden, der ein besonders gutes Gehör und die technischen Gerätschaften zum Herausfiltern des Rauschens hat. Er vermutet aufgrund der Geräusche, dass die Aufnahme in einem Krankenhaus gemacht wurde. Außerdem kann er Stimmen erkennen, sogar einzelne Wörter, die jedoch einen Dialekt sprechen, den er kaum versteht. Jaspersen bittet ihn daraufhin, das Band technisch aufzubereiten, um die Aufnahme verständlicher zu machen. Als sie zurückkommt, um sich die Kassette abzuholen, findet sie den Spezialisten ermordet vor und wird selbst Ziel eines Bombenanschlags. Sie kann sich mit Mühe retten und wird von ihrem Nachbarn gefunden, der sie mit zu sich nach Hause nimmt und sich um sie kümmert.
Als eine erneute Expedition geplant ist, hilft ihr der Nachbar, heimlich auf das Schiff der Wissenschaftler zu gelangen. Mit der Hilfe eines Mitglieds der Schiffscrew gelangt sie in die Räume der Wissenschaftler, wo sie zwei aufschlussreiche Videos ansehen kann. Es stellt sich heraus, dass in der Arktis ein Meteorit gefunden wurde, der auf unbekannte Weise Energie erzeugt und tödliche, ausgestorben geglaubte Parasiten reanimiert hat, die offenbar im Eis über die Jahrtausende konserviert worden sind. Der Vater des Jungen hatte sich bei der früheren Expedition infiziert und starb, während der Junge sich zwar mit den Parasiten infizierte, jedoch aus ungeklärten Gründen am Leben blieb.
Als es auf dem Schiff für Jaspersen und ihren Helfer zu brenzlig wird, beschließen sie, heimlich auf eine Ölbohrinsel zu flüchten, an der das Schiff angelegt hat. Dieser Versuch scheitert jedoch, und das Crewmitglied wird ermordet. Dafür trifft Jaspersen aber wieder überraschend auf ihren Nachbarn. Es stellt sich heraus, dass er für den Geheimdienst arbeitet und den Jungen beobachten sollte.
In der Höhle, in der sich der Meteorit befindet, kommt es zum Kampf, in dessen Verlauf der Chef von Greenland Mining, Dr. Tork, flüchten kann, aber verletzt wird. Die Höhle wird von Jaspersens Nachbarn gesprengt. Bevor der geschwächte Dr. Tork im Packeis untergeht, gesteht er, dass er den Jungen verfolgt hat, weil er an die Kassette gelangen wollte, und dieser deshalb vom Dach stürzte.
Fräulein Smillas Gespür für Schnee - von Peter Høeg