影片以1912年泰坦尼克号邮轮在其处女启航时触礁冰山而沉没的事件为背景，描述了处于不同阶层的两个人——穷画家杰克和贵族女露丝抛弃世俗的偏见坠入爱河，最终杰克把生命的机会让给了露丝的感人故事。
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1912年4月10日，号称 “世界工业史上的奇迹”的豪华客轮泰坦尼克号开始了自己的处女航，从英国的南安普顿出发驶往美国纽约。17岁头等舱乘客露丝（凯特·温丝莱特 饰演）与她当时的未婚夫卡尔（比利·赞恩 饰演）、露丝的母亲（弗兰西丝·费舍 饰演）、卡尔以及露丝的仆人登上了泰坦尼克号；另外还有在赌博中赢得船票的三等舱乘客杰克·道森（莱昂纳多·迪卡普里奥）和他的朋友法布里奇欧（丹尼·努齐 饰演）。露丝厌倦了上流社会虚伪的生活，不愿嫁给卡尔，打算投海自尽，被杰克救起。很快，美丽活泼的露丝与英俊开朗的杰克相爱，杰克带露丝参加下等舱的舞会、为她画像，二人的感情逐渐升温。
卡尔发现了杰克为露丝所绘的人体素描与草图，与“海洋之心”一起放于他的保险箱内，他很愤怒，指示仆人对杰克插赃嫁祸。然而就在同时，“泰坦尼克号”撞上了冰山。泰坦尼克号的设计师托马斯·安德鲁斯向船员表示，由于有5个舱入水，所以泰坦尼克号将会在1-2小时内沉没。当露丝和卡尔准备登上救生艇的时候，露丝决定去寻找杰克，结果在警卫室找到他，他被手铐锁在一条水管上，萝丝找不到能开启手铐的钥匙，几经辛苦才发现找到一把消防斧，她用斧头劈断手铐后与杰克一起逃生。泰坦尼克号上一片混乱，在危急之中，人类本性中的善良与丑恶、高贵与卑劣更加分明。
很快，巨轮从中间断裂，船尾成竖直90度角下城，很多乘客因而从高处跌下，杰克和萝丝互相紧抓对方，但因为水的冲力太强而松开了。杰克后来找到萝丝，他们发现了一扇漂浮在海上的门板，但是门板上只能够容纳一人的重量，因此杰克把生存的机会让给了爱人罗丝，自己则在冰海中被冻死。露丝悲痛欲绝，但她答应了杰克要好好活下去，最终她被人救起，之后她过着平静的生活，与一名低下阶层的姓卡维特的男子结婚，婚后生儿育女。直到73岁之后，“泰坦尼克号”的沉船遗骸在北大西洋两英里半的海底被发现，美国探险家洛维特在船上发现了一幅画，这幅画中的少女正是当年的露丝，这段尘封的往事才被解开。在把拥有多年，外界一直寻找不到的项链“海洋之心”扔下海中，年迈的露丝终于向众人诉说了埋藏在自己心中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，包括她已过世的丈夫。
