Năm 1996, nhà săn tìm kho báu Brock Lovett và đội của anh lên chiếc tàu nghiên cứu Keldysh đến vị trí xác tàu RMS Titanic huyền thoại ở biển Đại Tây Dương nhằm tìm kiếm một chiếc vòng cổ có đính một viên kim cương rất hiếm, Trái tim của Đại dương. Họ vớt được một chiếc két, bên trong có bức tranh một người phụ nữ trẻ khỏa thân trên người chỉ đeo duy nhất chiếc vòng cổ đó thôi. Bức tranh đề ngày 14 tháng 4 năm 1912, ngày chiếc tàu Titanic va phải tảng băng trôi. Bà lão Rose Dawson Calvert, sau khi biết tin này qua truyền hình, nhận mình chính là người phụ nữ trong bức tranh, tới thăm Lovett và kể lại cho anh nghe những trải nghiệm của bà trên con tàu Titanic.
Năm 1912 ở cảng Southampton, cô gái 17 tuổi Rose DeWitt Bukater thuộc tầng lớp quý tộc cùng với vị hôn phu của mình là Cal Hockley và mẹ mình, bà Ruth lên tàu Titanic ở khoang hạng nhất trở về Hoa Kỳ. Bà Ruth nhấn mạnh rằng hôn lễ của Rose sẽ giải quyết được các vấn đề tài chính hiện tại của gia đình DeWitt Bukater. Phẫn uất với sự sắp đặt này, Rose định tự tử bằng cách nhảy xuống biển từ phía đuôi tàu; nhưng được Jack Dawson, một anh chàng họa sĩ nghèo không một xu trong túi, thuyết phục cô đừng làm vậy. Bị phát hiện đang ở cùng với Jack, Rose nói dối với Cal rằng cô đang vươn người ra ngoài thành tàu để xem chân vịt và được Jack cứu khỏi bị ngã xuống biển. Cal vẫn thờ ơ, nhưng khi được Rose nhắc cần phải có chút gì để cảm ơn, anh đã cho Jack một số tiền nhỏ. Khi Rose hỏi chẳng lẽ việc cứu mạng cô lại có ý nghĩa ít ỏi với anh như vậy sao, Cal sau đó đã mời Jack tới ăn tối với họ ở khoang hạng nhất vào tối hôm sau. Jack và Rose dần gây dựng một mối quan hệ bạn bè thân thiết, dù cho Cal và bà Ruth khá lo ngại về anh. Trong bữa tối đêm hôm sau, Rose bí mật đi theo Jack tới một bữa tiệc ở khoang hạng ba.
Biết rằng Cal và bà Ruth không bằng lòng, Rose chối từ sự bày tỏ tình cảm của Jack đến với cô và nói rằng cô yêu Cal, nhưng sau đó nhận ra rằng cô yêu anh. Sau buổi hẹn ở phía mũi tàu, nơi họ nắm tay nhau "bay" trong ánh hoàng hôn trên biển, Rose đưa Jack về phòng riêng của mình và cho anh xem món quà đính hôn của Cal: Trái tim của Đại dương. Theo yêu cầu của cô, Jack vẽ bức tranh Rose khỏa thân bằng chì đen, trên người cô chỉ đeo duy nhất chiếc vòng cổ đó. Họ chạy trốn gã vệ sĩ của Cal đang đuổi theo và làm tình trên chiếc xe ô tô nằm dưới khoang để hàng của con tàu. Hai người sau đó đã lên boong trước của con tàu, chứng kiến cảnh va chạm của nó với tảng băng trôi và nghe được lời những người chỉ huy và nhà thiết kế con tàu bàn bạc về mức độ nghiêm trọng của nó.
Chuyến tàu định mệnh đã thay đổi toàn bộ số phận hành khách trên con tàu cũng như những dự tính, ước vọng của đôi tình nhân Jack và Rose. Một thảm họa đã xảy ra khiến mọi chuyện lệch khỏi quỹ đạo không còn đi theo kế hoạch: Titanic va phải một tảng băng trôi. Người ta nháo nhào tranh nhau xuống thuyền cứu hộ, thậm chí dám cướp nhau một cái áo phao. Để ngăn chặn sự hỗn loạn ngày càng tăng, những người thủy thủ đã khóa cửa ngăn những người ở khoang hạng ba lên boong, dành chỗ cho những người ở khoang hạng nhất được lên thuyền cứu hộ trước. Lúc này Jack đang bị còng bên cạnh một đường ống dẫn nước vì vướng vào một vụ vu oan, người ta nghi ngờ anh ăn cắp món trang sức quý giá của Cal tặng Rose. Nước biển đang tràn vào tàu, lạnh buốt xương. May sao vì tình yêu, Rose đã không xuống thuyền cứu hộ cùng mẹ mà chạy đi tìm Jack, kịp thời cứu anh thoát chết trước khi nước ngập vào. Hai người chạy trốn, thoát hiểm cùng nhau cho đến khi con tàu bị dựng đứng lên rồi gãy ra làm đôi. Chỉ có một ít người thoát chết còn hàng ngàn hành khách, đa phần là người thuộc tầng lớp bình dân, đã thiệt mạng, bao gồm cả phụ nữ và trẻ em. Họ chết vì cái lạnh của nước biển, họ chết vì cái lạnh lùng tàn nhẫn của một số người ham sống sợ chết.
Trong giờ phút lênh đênh giữa đại dương, Jack
đã nhường người yêu một tấm phản gỗ khá to. Rose may mắn được nằm trên tấm phản gỗ trôi dập dềnh trên mặt biển, còn Jack thì đã vĩnh viễn rời xa cô trong làn nước giá lạnh. Xung quanh cô toàn là xác người chết cóng, bản thân cô cũng đã quá mệt mỏi nhưng vì lời hứa với Jack, cô đã quyết tâm sống. Cô lăn mình xuống làn nước băng giá, vùng vẫy tới gần xác một thủy thủ để lấy cái còi. Cô thổi những hơi lạnh buốt vào cái còi lấy được với hi vọng sẽ gây được sự chú ý. Và rồi người chỉ huy của chiếc thuyền cứu hộ cuối cùng quay lại nhìn thấy cô và Rose sống sót. Sau khi đến Hoa Kỳ, cô đã trốn Cal và đổi tên thành Rose Dawson Calvert. Sau này cô biết Cal đã cưới một cô gái khác, thừa hưởng một gia tài lớn nhưng mất hết tất cả trong cuộc khủng hoảng kinh tế lớn của Hoa Kỳ năm 1929 và Cal đã tự sát.
Ký ức buồn vui về Jack đã đi theo Rose suốt cả cuộc đời, để bây giờ bà Rose đang sắp bước sang tuổi 101 ngồi kể chuyện cho những người thăm dò tàu Titanic về một người mà bà thực sự yêu thương, một người đã đem đến cho bà cuộc sống đích thực. Phim kết thúc với hình ảnh bà Rose nằm trên giường và chuyển cảnh về con tàu Titanic dưới đáy đại dương, nơi mà bà đến với Jack, và sự xuất hiện của họ ở sảnh khoang hạng nhất được sự tán thành nhiệt liệt từ rất nhiều người trên chuyến tàu đó.
