故事从1996年的北大西洋开始。寻宝探险家布洛克·洛维特率领团队深潜至泰坦尼克号残骸，试图打捞一颗传说中随船沉没的稀世蓝钻——“海洋之心“。他们从保险箱中取出一幅素描画——一位年轻女子赤身戴着那颗钻石项链，落款日期为1912年4月14日，正是沉船前一日。这则新闻引起了一位名叫罗丝的老妇人的注意，她致电洛维特，声称画中人就是自己。年逾百岁的罗丝被接到探测船上，缓缓讲述了那段埋藏了八十四年的往事。

1912年4月10日，泰坦尼克号从南安普顿启航。十七岁的罗丝·德维特·布卡特与未婚夫卡尔·霍克利及母亲登上头等舱。罗丝出身没落贵族，被母亲逼迫嫁给富可敌国的卡尔以挽救家族财务，内心深感窒息与绝望。同日，穷画家杰克·道森在酒吧赌博赢了两张三等舱船票，赶在最后一刻登船。罗丝站在船尾，望着深邃的大海，万念俱灰之下试图跳海自尽。杰克恰巧在场，用温柔而机智的话语将她救下。为表谢意，卡尔邀请杰克次日晚宴，但暗中对其充满敌意与警惕。

晚宴上，杰克面对上流社会的冷嘲热讽，以从容坦率的谈吐赢得旁人侧目。宴后他递给罗丝一张纸条，邀她到三等舱参加派对。在那里，罗丝第一次感受到毫无阶级束缚的自由与欢愉——爱尔兰快步舞、廉价啤酒、放声大笑，一切都与头等舱的虚伪形成鲜明对比。两人的感情迅速升温，但卡尔和罗丝的母亲极力阻挠。罗丝起初动摇退缩，但在看到杰克为她画的素描、听到他对自由的描绘后，终于决心追随内心。她找到杰克，要求他为她画一幅戴着”海洋之心“的素描。在那间豪华套房里，杰克用炭笔留下了那幅日后从海底打捞出的画作。画毕，两人遁入船舶底层的一辆古董车内，完成了爱情的结合。

4月14日深夜，泰坦尼克号以近乎全速行驶在北大西洋暗冰海域。瞭望员发现冰山时已为时过晚，巨轮右舷擦过冰山，十六个水密舱中的五个被划开。设计师托马斯·安德鲁斯告知船长史密斯：船注定会沉，救生艇仅够一半乘客使用。船上陷入恐慌与混乱，头等舱乘客优先登艇，三等舱乘客被铁门阻挡在下层。卡尔将”海洋之心“偷偷塞入杰克的外套口袋构陷他偷窃，杰克被铐在底层甲板。罗丝拒绝登艇，潜入底层找到杰克，用斧头劈开手铐将他救出。两人在不断涌入海水的船舱中艰难攀爬，返回上层。

巨轮从中段断裂，船尾高高翘起，无数人坠落或跳入冰冷的海水。杰克帮助罗丝爬上一扇漂浮的门板，自己泡在刺骨的海水中。杰克让罗丝承诺：”无论发生什么，都要活下去，生一堆孩子，看着他们长大，最终在温暖的床上老死，不要死在这里。“罗丝含泪应允。救生艇迟迟不返回，杰克在冰冷中渐渐失去意识，当救援船终于赶来时，杰克已经冻死。罗丝松开杰克的手，看着他沉入深海，然后吹响哨子引起救援船注意。被救上的卡帕西亚号驶向纽约，登记时罗丝将自己的名字改为”罗丝·道森“，从此告别了过去的一切。

回到1996年，洛维特听完故事，沉默良久。夜晚，老罗丝独自来到船尾，从口袋中取出”海洋之心”——原来钻石一直在她手中。她将蓝钻抛入大海，让它回到杰克的身边。她回到床上安然入睡，梦境（或天堂）中，她身着白裙走进泰坦尼克号的大楼梯厅，杰克回头微笑，两旁是所有在灾难中逝去的人们鼓掌相迎。