1996年，寶藏獵人布洛克·洛维特和他的團隊乘坐俄羅斯研究船凯爾迪什號（英语：Akademik Mstislav Keldysh）搜尋鐵達尼號殘骸，尋找一條下落不明的著名鑽石項鍊「海洋之心」（Heart of the Ocean），據說這條鑽石項鍊當年隨鐵達尼號沉沒於大西洋。他們在卡爾·霍克利當年所住的頭等艙套房內尋獲一個保險箱，但是只找到一幅戴著「海洋之心」的裸體女子素描，作畫日期為1912年4月14日，即鐵達尼號撞上冰山的當晚。素描中的女子蘿絲·道森·卡佛特已經101歲，她看見電視新聞正在報導此事，立即意識到畫中人正是自己，便吩咐孫女麗絲·卡佛特聯絡布洛克，並向他表示蘿絲就是鐵達尼號的其中一位生還者。布洛克得知消息後不顧眾人反對立刻邀請蘿絲登上凯爾迪什號，因為她可能是唯一知道「海洋之心」下落的人。
蘿絲和麗絲攜帶大量行李、搭乘直昇機登上凯爾迪什號之後，蘿絲表示想看一下那幅素描，布洛克問她是否知道「海洋之心」的下落，蘿絲開始回憶起她登上鐵達尼號的情景，向眾人透露她就是蘿絲·狄威特·布克特，亦即當年被認為已於船難中死去的乘客之一。故事回到1912年4月10日，英國南安普敦港口，鐵達尼號正要向美國紐約出發，展開其處女首航。17歲頭等艙乘客蘿絲與母親盧芙·狄威特·布克特、當時的未婚夫卡爾·霍克利（匹茲堡鋼鐵大亨內森·霍克利之子）在此登上鐵達尼號；另外還有在賭博中贏得船票的三等艙乘客傑克·道森和他的朋友法布里奇歐·德·羅西。
盧芙向女兒緊張強調她與卡爾訂婚的重要性，因為他們的婚姻是為了解決母女家中鮮為人知的財務危機，從而能夠繼續留存在上流社會圈內。但蘿絲根本不愛卡爾，她對訂婚感到沮喪，而且也對上流社會的狹隘思想感到窒息。飽受束縛的蘿絲在晚宴過後跑到船尾企圖跳海自殺，當時正好在艉艛甲板抽菸的傑克發現異樣並勸阻了蘿絲打消自殺念頭，但蘿絲返回欄杆內時不慎滑倒，她高聲呼叫使船員們趕來，船員誤以為傑克意圖不軌，於是糾察長把傑克銬起，卡爾也上前責罵傑克，蘿絲向卡爾撒謊說自己想看螺旋槳才會差點失足，讓傑克脫險。在蘿絲的堅持下，卡爾邀請傑克於翌晚共進晚餐，實際上卡爾想看看傑克會否在晚餐中出洋相，之後卡爾的僕人斯派塞·洛夫喬伊給予傑克一根香煙時表示懷疑。
第二日，傑克和蘿絲在小艇甲板上交談，使他們互相分享自己的身世經歷和處境，蘿絲搶了傑克經常拿著的素描簿翻看，從而得知傑克的身份為流浪畫家，更對他的作品讚嘆不已。鐵達尼號營運商白星航運董事長約瑟夫·布魯斯·伊斯梅於船隻終於離開皇后鎮並進入大西洋航線後成功遊說船長愛德華·約翰·史密斯以全速航行，希望能夠在星期二晚上到達紐約，從而向媒體展示鐵達尼號的速度與實力，同時讓史密斯船長得以正式榮休。晚餐開始前，傑克和蘿絲遇上盧芙和跟她一起散步的女子，包括於法國瑟堡登船的暴發戶瑪格麗特·布朗，蘿絲只能跟隨盧芙離開，為晚餐作準備，瑪格麗特特別讓傑克穿上原本為她兒子購買的晚禮服赴宴。傑克在頭等餐廳與卡爾和蘿絲等人共進晚餐期間，瑪格麗特教導傑克很多上流社交圈的知識及禮儀。晚餐過後，蘿絲偷偷與傑克參加三等艙的派對，他們一起跳舞、歡暢飲酒，但卻遭卡爾的僕人發現行蹤。
翌日早餐時，卡爾對蘿絲在傑克的陪同下到三等艙非常生氣，卡爾和盧芙禁止蘿絲與傑克見面。傑克知道自己必須拯救蘿絲，因此決定秘密去找她。另一方面，鐵達尼號陸續收到不同的冰山警告，船長卻因為想炫耀船速得到新聞頭條而下令啟動所有鍋爐繼續全速航行，此行為非常冒險，因為當晚海面異常平靜，使冰山難以提前鑑别，容易發生意外，鐵達尼號亦因美觀而沒有放上足夠的救生艇，而且人們深信當時鐵達尼號「永不沉沒」的稱號，所以救生艇的數量只能承載一半乘客。傑克找到蘿絲後，進到健身房隱蔽談話，蘿絲表示不會再跟傑克見面，但是最後她還是改變主意，因為她意識到自己愛傑克比卡爾更甚，二人在船頭首次擁吻，也是鐵達尼號最後一次看到日落的時刻。
日落後，蘿絲把傑克帶到她的頭等套房內，讓傑克看看她帶來的不同名畫以及卡爾送她的訂婚禮物——那條鑽石項鍊「海洋之心」，並要求傑克為自己畫一幅只戴上「海洋之心」裸體素描，正是電影開始時布洛克等人在保險箱裡找到的素描畫作，而且傑克非常專業，對蘿絲毫無非份之想，並且將素描放入保險箱內。随後，他們為了逃避卡爾的僕人追捕，一路穿越鍋爐房後躲進貨艙內，兩人在貨艙的豪華汽車內發生關係。同時，卡爾發現了傑克為蘿絲所繪的裸體素描後非常憤怒，指示僕人對傑克栽贓嫁禍作為報復。當僕人們追到貨艙並打開豪華汽車車廂抓包傑克和蘿絲時，兩人早就逃到船頭的井圍甲板上，蘿絲就告訴傑克在船隻到達紐約後決定離開家人跟著他一同生活。此時瞭望員發現一座已經十分接近的冰山，即使緊急通知當值的指揮官默多克並通知各單位緊急迴避也躲避不了，傑克和蘿絲在甲板上見證了船撞向冰山的一幕，後來無意中又聽到船長、船副與設計師提及貨艙入水的事。正當蘿絲和傑克準備將事情告訴給盧芙及卡爾的時候，卡爾的僕人偷偷把「海洋之心」放入傑克的口袋內，卡爾順勢誣陷傑克盜取項鍊，傑克因此遭到糾察長扣押。
鐵達尼號總設計師湯瑪斯·安德魯斯向船長及伊斯梅董事長等人宣佈，由於已經有5個水密艙室淹水，超出了他起初設計上限的4個，所以鐵達尼號將會在1至2小時內必定沉沒。船員要求乘客穿上救生衣，並依據「女人和小孩優先」原則指揮救生艇撤離。蘿絲在主樓梯遇見湯瑪斯·安德魯斯後，得知鐵達尼號即將沉沒的噩耗。當蘿絲和盧芙準備登上救生艇的時候，見到母親與未婚夫的自私和冷血，決定去尋找傑克，於是向湯瑪斯·安德魯斯查問糾察長起居室的位置，幾經辛苦後，蘿絲找到被囚禁在糾察長起居室的傑克，並用斧頭劈斷手銬後將之救出。當卡爾準備登上救生艇時，他聽說僕人找到了蘿絲和傑克。蘿絲在卡爾和傑克的勸服下登上救生艇，卡爾把他的大衣給了蘿絲，卻忘記「海洋之心」仍放在衣袋裡。當救生艇降下時，蘿絲意識到她不能離開傑克，便從救生艇跳回甲板，傑克立刻向她跑去。卡爾在主樓梯發現了他們，氣急敗壞向兩人開槍，並追逐他們到快被水淹沒的餐廳，卡爾為保自己安全，只好回到甲板。他懊惱的意識到，他將大衣連同「海洋之心」都給了蘿絲。後來他發現了一個小女孩，為了存活，他聲稱是小女孩的唯一親人。於是卡爾登上了最後一艘救生艇。
鐵達尼號繼續下沉，蘿絲和傑克逃經頭等吸菸室時發現總設計師湯瑪斯·安德魯斯沒有逃生，他懊惱自己無法打造出最堅固的船而決定殉難謝罪（史密斯船長亦在看見甲板上的慌亂後把自己困在駕駛室內殉難謝罪），並將自己救生衣交給蘿絲。由於大量進水，鐵達尼號船頭下降並正在快速傾斜，他們幾經辛苦爬到船尾。經過接近1個多小時的堅持後，船隻因電力供應不穩，再加上維繫電力供應的工人意外觸電，結果全船電力中斷。船身突然從中間裂開一部分，三號、四號煙囪倒塌，不久後，船頭無法承受海水灌入的重量垂直沉入海中，但整條船身仍有連結的部分，船尾被船頭往下拖，與海面形成直角浮了一段短時間後下沉，很多乘客因而從高處跌下。不久後，鐵達尼號完全沉沒。傑克和蘿絲互相緊抓對方，但因為沉船的吸力太強而鬆手。傑克後來找到蘿絲，他們發現了一扇漂浮在水上的木門板，傑克讓蘿絲爬上門板，但門板上只能容許一人的重量，因此傑克雙手趴在門板邊緣，身體留在冰冷海水中。傑克要求蘿絲不要放棄，要好好活下去，並要她承諾，她會在溫暖的床舖上壽終正寢，這成為他的遺言。鏡頭一轉，五副哈羅德·羅威清出一艘救生艇返回搜尋生還者。蘿絲聽到他的聲音，於是她便呼喚傑克醒來，但傑克已因低溫症身亡。蘿絲傷心欲絕，但她曾經答應傑克要好好活下去，她親吻了傑克，然後掙脫傑克僵硬的手離開門板，傑克的屍體沉入海裡。她從在附近死去的大副身上找到哨子，她不停吹哨，最終得救，由趕到現場的卡帕西亞號救起她與其他生還者[10]。
在卡帕西亞號上，卡爾想在獲救的三等乘客群中尋找蘿絲，但蘿絲卻以毛毯包著自己並背向他，因此對方沒有認出她，那是她最後一次見到卡爾。當船抵達美國後，蘿絲才發現「海洋之心」一直在大衣口袋中。蘿絲把自己的姓氏改為道森，表明她永遠都是傑克的妻子。據老蘿絲描述後來她從報紙上得知，卡爾跟另一個女子結婚，繼承了家族的財產，但是1929年華爾街股災使他損失慘重後吞槍自盡；而她自己則當上了演員，並與一名低下階層的男子結婚，婚後生兒育女。鏡頭回到1996年，蘿絲的故事完結，這事蹟深深感動了她的孫女麗絲、布洛克和尋寶團隊的其他人員。布洛克覺得自己完全比不上蘿絲，他為了尋找已失落的鑽石花了三年時間，但蘿絲卻花了一輩子去回憶一個永遠不能死而復生的傑克。
至此，年邁的蘿絲終於向眾人訴說自己埋藏在心中84年的秘密，了卻她的心事，在此之前她從未曾把自己這段刻骨銘心的往事跟任何人提及過，包括她的已故丈夫。當晚蘿絲走到凯爾迪什號的船尾，在沒有其他人看到的情況下，將持有多年、外界一直尋找不到的「海洋之心」扔下海中。傑克為愛而死，蘿絲為愛而生。在蘿絲睡覺的梳妝台上擺滿她有生以來珍而重之的生活照片，當中不乏曾在鐵達尼號與傑克談及嚮往的自由和冒險生活。她最後能夠信守承諾，完成了傑克臨終前的囑咐：「無論人生多艱難困苦也不要放棄，勇敢活下去，結婚生子到兒孫滿堂，在暖榻睡夢中百年歸老」。而蘿絲已經在床上逝世了。
鏡頭一轉，本來已經沉沒大西洋海底的鐵達尼號殘骸回復昔日光彩，蘿絲終於回到她記憶中的鐵達尼號，也恢復到17歲的模樣，並在昔日的頭等艙主樓梯上與傑克重逢，主樓梯牆上的時鐘清楚顯示現在是2時20分，這正是現實中鐵達尼號沉沒的時間，船上的其他死難者以掌聲祝福這對戀人，故事完結[11]。