1996年，探險家布洛克·洛維特帶領團隊在北大西洋深處的鐵達尼號殘骸中搜尋一顆傳說中的藍鑽——「海洋之心」。他們沒有找到鑽石，卻發現了一張保存完好的素描：一個年輕女人赤裸著身體，脖子上戴著那顆鑽石。
這幅畫被電視臺播出後，一位一百零一歲的老婦人打來電話。她說畫中的人是她。她叫蘿絲·道森·卡佛特。
登船
1912年4月10日，英國南安普頓港。被稱為「永不沉沒」的皇家郵輪鐵達尼號即將開始處女航，目的地紐約。
十七歲的蘿絲·狄威特·布克特（凱特·溫絲蕾飾）和母親盧芙、未婚夫卡爾·霍克利（比利·贊恩飾）一同登上頭等艙。卡爾是鋼鐵大亨的繼承人，傲慢而有控制慾。這樁婚事是母親安排的——狄威特家已經悄悄敗落，只剩一個體面的姓氏，需要卡爾的財富來維持門面。蘿絲對這段沒有愛情的婚約感到窒息。
傑克·道森（李奧納多·狄卡皮歐飾）是個身無分文的年輕畫家，在港口的酒館裡用一把好牌贏到了兩張三等艙船票。他帶著好友法布利奇歐跳上了開航前的最後一刻。
船頭的風
第一個夜晚，蘿絲再也無法忍受這種囚籠般的生活，她跑到船尾，攀上欄杆，想要跳海。傑克正好在附近看星星，他不動聲色地走過去，沒有勸阻，而是開始和她聊天——聊冰冷的海水，聊他在威斯康辛湖上釣魚時掉進冰窟窿的經歷。蘿絲被他逗笑了，最終翻回了欄杆裡側。但她腳下一滑，傑克一把抓住她的手，將她拉了回來。
卡爾得知此事後，勉強表示了感謝，邀請傑克到頭等艙共進晚餐。傑克穿上借來的燕尾服，第一次走進了頭等艙的富麗世界。他在餐桌上的自信和幽默打動了在場所有人，包括不拘小節的莫莉·布朗（凱西·貝茲飾）。晚宴後，傑克遞給蘿絲一張紙條：「讓這變得有意義。」
蘿絲跟著傑克來到三等艙的舞會——愛爾蘭音樂、啤酒、赤腳跳舞。這是她從未體驗過的自由。傑克帶她去了船頭，讓她站在船舷上張開雙臂，海風吹過她的臉——「我在飛！」
他們墜入了愛河。傑克為蘿絲畫了那幅裸體素描，蘿絲只戴著卡爾送的「海洋之心」藍鑽項鍊。之後，兩人在貨艙的一輛轎車裡度過了一個夜晚。
撞上冰山
1912年4月14日深夜11點40分。嘹望員發現正前方有冰山。大副默多克下令全速左轉並倒車，但為時已晚。冰山在船體右舷下方劃開了一道近百米的裂口。海水開始湧入前五個水密隔艙。
船體設計師湯瑪斯·安德魯斯向船長史密斯報告了一個無法逆轉的事實：鐵達尼號最多還能浮兩個小時。船上有兩千兩百多人，救生艇只夠一半人使用。
卡爾發現了蘿絲和傑克的關係。他讓貼身保鏢洛夫喬伊將「海洋之心」偷偷塞進傑克的外套口袋，然後報警誣陷傑克偷竊。傑克被戴上手銬，銬在下層甲板的管道上。
沉沒
撤離開始了。「女人和孩子先走。」但頭等艙的乘客被優先安排上救生艇，三等艙的門卻被鎖死。許多救生艇只坐了一半的人就被放下了水——船員們害怕超載。
蘿絲本已坐上了救生艇，但當船緩緩下放時，她看著傑克的眼睛，突然跳回了船上。她找到了被銬在下層的傑克，海水已經沒過了腰。她拿著一把消防斧，在傑克的鼓勵下精準地砍斷了手銬鏈條。
兩人在不斷傾斜的船體中奔跑、攀爬。卡爾拿著一把手槍追殺他們，子彈打在齊腰深的海水裡。卡爾最終放棄追趕，哄騙一個孩子上手，以此登上了救生艇。
鐵達尼號的船尾高高翹起，然後從中間斷成兩截。前半段先沉入大海，後半段短暫地恢復了水平，隨即也開始垂直下沉。傑克和蘿絲緊緊抓住船尾的欄杆，隨著船體一起墜入冰冷的大西洋。
你要活下去
一千五百多人落入了零下兩度的海水中。傑克找到了一塊漂浮的木板門，幫蘿絲爬了上去。他自己泡在水裡，兩隻手緊緊握著她的手。
周圍是此起彼伏的呼救聲，然後聲音越來越小，越來越少。
傑克對蘿絲說：「聽我說，蘿絲。你會活下去的。你會結婚，生好多孩子，你會看著他們長大。你會在溫暖的床上壽終正寢，不是在這裡，不是今晚。答應我你要活下去，答應我你永遠不會放棄。」
蘿絲答應了。
當救生艇終於回來搜救時，蘿絲發現傑克已經凍死了。她的手指已經僵硬到無法鬆開他的手。她輕聲說：「我不會放棄的，傑克，我答應過你。」她鬆開了他的手，看著他沉入深藍色的海水中。她吹響了一個死去船員嘴裡的哨子，引來了救生艇。
尾聲
獲救的蘿絲在卡帕提亞號上裹著毯子，看到了同樣獲救的卡爾在頭等艙倖存者中尋找她。她用毯子遮住了臉。登記姓名時，她說自己叫「蘿絲·道森」。
八十四年後，一百零一歲的蘿絲講完了這個故事。夜裡，她獨自走到探險船的船尾，從口袋裡掏出「海洋之心」——這顆鑽石一直在她手中。她將它輕輕投入了鐵達尼號殘骸上方的大海。
最後一個鏡頭：在海底的鐵達尼號殘骸中，一切恢復了1912年的輝煌模樣。大樓梯上站滿了在海難中遇難的人們。傑克站在樓梯頂端，轉過身來，微笑著向蘿絲伸出手。蘿絲走上前去，兩人在眾人的注視和掌聲中擁吻。