為了尋找1912沈入大西洋的泰坦尼克號和船上價值連城的“在海的中心”，尋寶探險家布洛克從沈船中打撈出壹個銹跡斑斑的保險箱，結果卻發現了壹幅保存完好的素描——壹個戴著鉆石項鏈的年輕女子。這則電視新聞引起了壹位100歲老婦人的註意。老人激動萬分，乘直升機沖向布洛克的打撈船。原來她叫羅絲·道森，畫像中的女人。
看著遺像，昔日的壹幕幕重現在老人眼前:1912。4月12日，正在準備首航的泰坦尼克號停泊在港口，碼頭上擠滿了人，爭相見證這艘人類歷史上最大最豪華的船。美麗優雅的貴族小姐羅斯(Rose)與母親和未婚夫鋼鐵大王的兒子卡爾·霍利(Carl Holly)壹起登上頭等艙。與此同時，電影的另壹位主人公，年輕的流浪畫家傑克·道森，幸運地通過賭博贏得了壹張三等票。他喊道“我們是世界上最幸運的人……”在最後壹刻登上了飛船。泰坦尼克號起航了。初春的大西洋陽光明媚，碧波萬頃。傑克和他的夥伴站在船頭看著前方，大聲歡呼，激動不已，仿佛此時的世界是屬於他們的。
生活在上流社會社交圈的羅絲早已厭倦了貴族們無聊的談話，覺得自己像是籠中之鳥。她皺著眉頭來到甲板上，望向遠方以減輕她的悲傷。傑克壹看到羅斯，就被她的氣質深深吸引。夜幕降臨，在又壹次放蕩之後，羅斯對自己的未來和婚姻感到極度無助。她沖到甲板上，試圖跳海結束自己的生命。傑克及時發現，並在關鍵時刻用自己的真誠和獨特的幽默說服了羅斯。盡管卡爾很不情願，但為了感謝傑克救了他的妻子，他不得不在第壹節課上請傑克吃飯。卡爾本想借機對傑克低聲下氣，沒想到傑克在飯桌上坦誠的話語贏得滿堂喝彩。從那時起，傑克和羅斯互相認識了。Rose向Jack吐露了自己的郁悶:“我覺得這輩子也不過如此，好像活了壹輩子。無數的宴會、舞會、遊艇賽、馬球賽，都是心胸狹窄、粗心大意的人可以接觸到的。我感覺自己站在懸崖邊上，沒有人拉我回去，沒有人關心，甚至沒有人在乎。”在傑克的指引和陪伴下，羅斯找到了久違的幸福，燦爛的笑容終於再次洋溢在臉上。
當羅斯的未婚夫卡爾發現傑克和羅斯的關系時，他非常不高興。他送給羅斯壹條價值連城的鉆石項鏈“在海的中心”，並表示要贏得羅斯的芳心。然而，在羅斯眼裏，卡爾只是壹個徹頭徹尾的勢利眼，她從心底裏不想嫁給他。然而迫於母親和未婚夫的壓力，羅斯不得不刻意回避傑克的感情，但也正是因為如此，羅斯才意識到自己已經深深地愛上了傑克。
從相識到相戀，雖然只有短短幾天，羅斯和傑克已經形影不離。臥室裏，羅斯放上了《在海的中心》，傑克畫了壹幅她永遠不會忘記的畫像。泰坦尼克號靠岸後，羅斯不顧家庭和禮儀的壓力，決定和傑克壹起生活。幸福似乎離這對夫婦只有壹步之遙。
白星航運公司經理布魯斯·伊斯梅爾(Bruce Ismail)暗示，史密斯船長為了讓泰坦尼克號創下最快的橫渡大西洋紀錄，應該加快船速，而不考慮潛在的冰山威脅。14那晚，海面出奇的平靜，泰坦尼克號還在全速行駛。觀景臺發現前方冰山後立即通知駕駛艙和大副，但慣性大的船來不及躲避，船體右側被冰山隔開，6個艙室進水。所謂不沈的泰坦尼克號將在兩小時後沈沒。此時船上的救生艇只夠壹半乘客，船上壹片慌亂。
沒想到，就在這個時候，傑克因為偷鉆石被荷莉陷害，被關在了下艙。不明真相的羅絲和大家壹起在甲板上等待救生艇，但她仍然相信傑克是無辜的。羅斯不顧壹切地回到空蕩蕩的船艙裏尋找傑克，並在關鍵時刻找到了壹把救命的斧頭將他救了出來。當他們來到甲板上時，羅斯在傑克的勸說下上了救生艇。救生艇慢慢放下，羅斯神情恍惚。突然，她放棄了最後壹次逃生的機會，跳回了泰坦尼克號。這對夫婦緊緊地擁抱在壹起。
“夢想之船”泰坦尼克號開始慢慢下沈，壹場悲劇開始上演。漆黑的大海和天空連在壹起，無情地吞噬著絕望的乘客。傑克把羅斯帶到船尾，爬上欄桿(他們的愛情開始的地方)，壹直抓著不放，直到泰坦尼克號沈沒。兩人從巨大的漩渦中掙紮出來後，傑克把羅斯推到了壹個浮板上，自己卻泡在冰冷的海水裏。
幾個小時後，救援船返回營救奄奄壹息的羅絲，而已經凍僵的傑克則被冰海無情吞噬。羅斯信守對傑克的承諾，勇敢地生活著。
84年後，羅斯來到泰坦尼克號沈沒的地方，把海底的雕像扔進海裏，告訴傑克他在天堂...