Les élèves de mademoiselle Bille-en-Tête partent au pôle Sud, sur les traces des empereurs, ces manchots qui vivent dans l'Antarctique. M. Pétrel, l'oncle d'Ophélie, qui est ornithologue, les accompagne. Une fois sur place, les enfants doivent faire face à des conditions de vie extrêmes et affrontent les pires dangers.