1996年，宝藏猎人布洛克·洛维特和他的团队乘坐俄罗斯研究船凯尔迪什号（英语：Akademik Mstislav Keldysh）搜寻铁达尼号残骸，寻找一条下落不明的著名钻石项链“海洋之心”（Heart of the Ocean），据说这条钻石项链当年随铁达尼号沉没于大西洋。他们在卡尔·霍克利当年所住的头等舱套房内寻获一个保险箱，但是只找到一幅戴著“海洋之心”的裸体女子素描，作画日期为1912年4月14日，即铁达尼号撞上冰山的当晚。素描中的女子萝丝·道森·卡佛特已经101岁，她看见电视新闻正在报导此事，立即意识到画中人正是自己，便吩咐孙女丽丝·卡佛特联络布洛克，并向他表示萝丝就是铁达尼号的其中一位生还者。布洛克得知消息后不顾众人反对立刻邀请萝丝登上凯尔迪什号，因为她可能是唯一知道“海洋之心”下落的人。
萝丝和丽丝携带大量行李、搭乘直升机登上凯尔迪什号之后，萝丝表示想看一下那幅素描，布洛克问她是否知道“海洋之心”的下落，萝丝开始回忆起她登上铁达尼号的情景，向众人透露她就是萝丝·狄威特·布克特，亦即当年被认为已于船难中死去的乘客之一。故事回到1912年4月10日，英国南安普敦港口，铁达尼号正要向美国纽约出发，展开其处女首航。17岁头等舱乘客萝丝与母亲卢芙·狄威特·布克特、当时的未婚夫卡尔·霍克利（匹兹堡钢铁大亨内森·霍克利之子）在此登上铁达尼号；另外还有在赌博中赢得船票的三等舱乘客杰克·道森和他的朋友法布里奇欧·德·罗西。
卢芙向女儿紧张强调她与卡尔订婚的重要性，因为他们的婚姻是为了解决母女家中鲜为人知的财务危机，从而能够继续留存在上流社会圈内。但萝丝根本不爱卡尔，她对订婚感到沮丧，而且也对上流社会的狭隘思想感到窒息。饱受束缚的萝丝在晚宴过后跑到船尾企图跳海自杀，当时正好在艉艛甲板抽烟的杰克发现异样并劝阻了萝丝打消自杀念头，但萝丝返回栏杆内时不慎滑倒，她高声呼叫使船员们赶来，船员误以为杰克意图不轨，于是纠察长把杰克铐起，卡尔也上前责骂杰克，萝丝向卡尔撒谎说自己想看螺旋桨才会差点失足，让杰克脱险。在萝丝的坚持下，卡尔邀请杰克于翌晚共进晚餐，实际上卡尔想看看杰克会否在晚餐中出洋相，之后卡尔的仆人斯派塞·洛夫乔伊给予杰克一根香烟时表示怀疑。
第二日，杰克和萝丝在小艇甲板上交谈，使他们互相分享自己的身世经历和处境，萝丝抢了杰克经常拿著的素描簿翻看，从而得知杰克的身份为流浪画家，更对他的作品赞叹不已。铁达尼号营运商白星航运董事长约瑟夫·布鲁斯·伊斯梅于船只终于离开皇后镇并进入大西洋航线后成功游说船长爱德华·约翰·史密斯以全速航行，希望能够在星期二晚上到达纽约，从而向媒体展示铁达尼号的速度与实力，同时让史密斯船长得以正式荣休。晚餐开始前，杰克和萝丝遇上卢芙和跟她一起散步的女子，包括于法国瑟堡登船的暴发户玛格丽特·布朗，萝丝只能跟随卢芙离开，为晚餐作准备，玛格丽特特别让杰克穿上原本为她儿子购买的晚礼服赴宴。杰克在头等餐厅与卡尔和萝丝等人共进晚餐期间，玛格丽特教导杰克很多上流社交圈的知识及礼仪。晚餐过后，萝丝偷偷与杰克参加三等舱的派对，他们一起跳舞、欢畅饮酒，但却遭卡尔的仆人发现行踪。
翌日早餐时，卡尔对萝丝在杰克的陪同下到三等舱非常生气，卡尔和卢芙禁止萝丝与杰克见面。杰克知道自己必须拯救萝丝，因此决定秘密去找她。另一方面，铁达尼号陆续收到不同的冰山警告，船长却因为想炫耀船速得到新闻头条而下令启动所有锅炉继续全速航行，此行为非常冒险，因为当晚海面异常平静，使冰山难以提前鉴别，容易发生意外，铁达尼号亦因美观而没有放上足够的救生艇，而且人们深信当时铁达尼号“永不沉没”的称号，所以救生艇的数量只能承载一半乘客。杰克找到萝丝后，进到健身房隐蔽谈话，萝丝表示不会再跟杰克见面，但是最后她还是改变主意，因为她意识到自己爱杰克比卡尔更甚，二人在船头首次拥吻，也是铁达尼号最后一次看到日落的时刻。
日落后，萝丝把杰克带到她的头等套房内，让杰克看看她带来的不同名画以及卡尔送她的订婚礼物——那条钻石项链“海洋之心”，并要求杰克为自己画一幅只戴上“海洋之心”裸体素描，正是电影开始时布洛克等人在保险箱里找到的素描画作，而且杰克非常专业，对萝丝毫无非份之想，并且将素描放入保险箱内。随后，他们为了逃避卡尔的仆人追捕，一路穿越锅炉房后躲进货舱内，两人在货舱的豪华汽车内发生关系。同时，卡尔发现了杰克为萝丝所绘的裸体素描后非常愤怒，指示仆人对杰克栽赃嫁祸作为报复。当仆人们追到货舱并打开豪华汽车车厢抓包杰克和萝丝时，两人早就逃到船头的井围甲板上，萝丝就告诉杰克在船只到达纽约后决定离开家人跟著他一同生活。此时瞭望员发现一座已经十分接近的冰山，即使紧急通知当值的指挥官默多克并通知各单位紧急回避也躲避不了，杰克和萝丝在甲板上见证了船撞向冰山的一幕，后来无意中又听到船长、船副与设计师提及货舱入水的事。正当萝丝和杰克准备将事情告诉给卢芙及卡尔的时候，卡尔的仆人偷偷把“海洋之心”放入杰克的口袋内，卡尔顺势诬陷杰克盗取项链，杰克因此遭到纠察长扣押。
铁达尼号总设计师汤玛斯·安德鲁斯向船长及伊斯梅董事长等人宣布，由于已经有5个水密舱室淹水，超出了他起初设计上限的4个，所以铁达尼号将会在1至2小时内必定沉没。船员要求乘客穿上救生衣，并依据“女人和小孩优先”原则指挥救生艇撤离。萝丝在主楼梯遇见汤玛斯·安德鲁斯后，得知铁达尼号即将沉没的噩耗。当萝丝和卢芙准备登上救生艇的时候，见到母亲与未婚夫的自私和冷血，决定去寻找杰克，于是向汤玛斯·安德鲁斯查问纠察长起居室的位置，几经辛苦后，萝丝找到被囚禁在纠察长起居室的杰克，并用斧头劈断手铐后将之救出。当卡尔准备登上救生艇时，他听说仆人找到了萝丝和杰克。萝丝在卡尔和杰克的劝服下登上救生艇，卡尔把他的大衣给了萝丝，却忘记“海洋之心”仍放在衣袋里。当救生艇降下时，萝丝意识到她不能离开杰克，便从救生艇跳回甲板，杰克立刻向她跑去。卡尔在主楼梯发现了他们，气急败坏向两人开枪，并追逐他们到快被水淹没的餐厅，卡尔为保自己安全，只好回到甲板。他懊恼的意识到，他将大衣连同“海洋之心”都给了萝丝。后来他发现了一个小女孩，为了存活，他声称是小女孩的唯一亲人。于是卡尔登上了最后一艘救生艇。
铁达尼号继续下沉，萝丝和杰克逃经头等吸烟室时发现总设计师汤玛斯·安德鲁斯没有逃生，他懊恼自己无法打造出最坚固的船而决定殉难谢罪（史密斯船长亦在看见甲板上的慌乱后把自己困在驾驶室内殉难谢罪），并将自己救生衣交给萝丝。由于大量进水，铁达尼号船头下降并正在快速倾斜，他们几经辛苦爬到船尾。经过接近1个多小时的坚持后，船只因电力供应不稳，再加上维系电力供应的工人意外触电，结果全船电力中断。船身突然从中间裂开一部分，三号、四号烟囱倒塌，不久后，船头无法承受海水灌入的重量垂直沉入海中，但整条船身仍有连结的部分，船尾被船头往下拖，与海面形成直角浮了一段短时间后下沉，很多乘客因而从高处跌下。不久后，铁达尼号完全沉没。杰克和萝丝互相紧抓对方，但因为沉船的吸力太强而松手。杰克后来找到萝丝，他们发现了一扇漂浮在水上的木门板，杰克让萝丝爬上门板，但门板上只能容许一人的重量，因此杰克双手趴在门板边缘，身体留在冰冷海水中。杰克要求萝丝不要放弃，要好好活下去，并要她承诺，她会在温暖的床铺上寿终正寝，这成为他的遗言。镜头一转，五副哈罗德·罗威清出一艘救生艇返回搜寻生还者。萝丝听到他的声音，于是她便呼唤杰克醒来，但杰克已因低温症身亡。萝丝伤心欲绝，但她曾经答应杰克要好好活下去，她亲吻了杰克，然后挣脱杰克僵硬的手离开门板，杰克的尸体沉入海里。她从在附近死去的大副身上找到哨子，她不停吹哨，最终得救，由赶到现场的卡帕西亚号救起她与其他生还者[10]。
在卡帕西亚号上，卡尔想在获救的三等乘客群中寻找萝丝，但萝丝却以毛毯包著自己并背向他，因此对方没有认出她，那是她最后一次见到卡尔。当船抵达美国后，萝丝才发现“海洋之心”一直在大衣口袋中。萝丝把自己的姓氏改为道森，表明她永远都是杰克的妻子。据老萝丝描述后来她从报纸上得知，卡尔跟另一个女子结婚，继承了家族的财产，但是1929年华尔街股灾使他损失惨重后吞枪自尽；而她自己则当上了演员，并与一名低下阶层的男子结婚，婚后生儿育女。镜头回到1996年，萝丝的故事完结，这事迹深深感动了她的孙女丽丝、布洛克和寻宝团队的其他人员。布洛克觉得自己完全比不上萝丝，他为了寻找已失落的钻石花了三年时间，但萝丝却花了一辈子去回忆一个永远不能死而复生的杰克。
至此，年迈的萝丝终于向众人诉说自己埋藏在心中84年的秘密，了却她的心事，在此之前她从未曾把自己这段刻骨铭心的往事跟任何人提及过，包括她的已故丈夫。当晚萝丝走到凯尔迪什号的船尾，在没有其他人看到的情况下，将持有多年、外界一直寻找不到的“海洋之心”扔下海中。杰克为爱而死，萝丝为爱而生。在萝丝睡觉的梳妆台上摆满她有生以来珍而重之的生活照片，当中不乏曾在铁达尼号与杰克谈及向往的自由和冒险生活。她最后能够信守承诺，完成了杰克临终前的嘱咐：“无论人生多艰难困苦也不要放弃，勇敢活下去，结婚生子到儿孙满堂，在暖榻睡梦中百年归老”。而萝丝已经在床上逝世了。
镜头一转，本来已经沉没大西洋海底的铁达尼号残骸回复昔日光彩，萝丝终于回到她记忆中的铁达尼号，也恢复到17岁的模样，并在昔日的头等舱主楼梯上与杰克重逢，主楼梯墙上的时钟清楚显示现在是2时20分，这正是现实中铁达尼号沉没的时间，船上的其他死难者以掌声祝福这对恋人，故事完结[11]。