电影根据虹影《上海之死》及横光利一《上海》改编。

1941 年。著名演员于堇返回孤岛时期的上海，表面上是为了出演她的旧爱执导的话剧《礼拜六小说》。但是她真正的目的是什么？是为了救出她的前夫？为了给盟军搜集情报？为了给养父工作？还是为了和自己的爱人一起逃离战争？她真正的使命是什么？随着她着手执行任务，敌我越来越难以分辨，一个女人的命运被时代紧紧牵引，她又如何做出改变世界格局的选择？戏里戏外，谁能幸免？

该片是一部三段式主题（爱和性）电影，由米开朗基罗•安东尼奥尼（《危险临界点》）、史蒂文•索德伯格（《平衡》）和王家卫（《手》）三位导演联合执导。
《手》讲的是1960年代的香港，年轻的裁缝（张震）多年不计回报地爱着交际花华小姐（巩俐）的故事，影像华丽，充满了质感又略带伤感。《平衡》的故事发生在1950年代的纽约，广告人尼克•彭罗斯（罗伯特•唐尼）总是被春梦困扰，只得向他的心理医生珀尔（阿兰•阿金）求助，基调虽荒谬反常，却也可看成颇有自嘲意味的幽默喜剧。《危险临界线》则仍是安东尼奥尼一向关注的现代社会中的男女关系主题，哲学味道浓烈。

1966年，从新加坡返回香港想忘掉过去的周慕云（梁朝伟 饰）住进东方酒店的、同他曾经熟悉的数字2046只差一号的2047号房，开始了他的卖文生涯。眼前、曾经在他身边出现过的一个个女人（章子怡、王菲、张曼玉、刘嘉玲等 饰）经过他大脑的过影后，令他对时空产生疑惑，不但忘不了过去，一幕幕往事反而更加挥之不去。
为了与过去作更好的告别，他将生活的点点滴滴化为文字，写下小说《2046》（说只要搭上了前往2046的列车，人们就可以找回失去的记忆）。

该片改编自莫言1986年发表的两部中篇小说《红高粱》和《高粱酒》。因为一匹骡子，“ 我奶奶”九儿（巩俐饰）的父母要她嫁给一位拥有一座酒坊的50岁麻风病人。九儿乘坐花轿出嫁时，在途中被一名强盗拦截。其中一名抬轿男子余占鳌（姜文饰）打退了强盗，九儿因而和他开始相互喜欢。3天后九儿回乡探望父母 。抬轿男子突然从高粱田里冲出来，抢走了九儿。他们在高粱田野外交合。九儿回到酒坊的时候发现麻风病的丈夫死了，“ 我奶奶”撑起李家的烧酒作坊，不久余占鳌正式成为 “我爷爷”，并独创酿制好酒十八红的方法。抗日战争期间，“我爷爷”和“我奶奶”连手谱写了一曲悲歌。

中国西北某个小山村里，村妇秋菊（巩俐）的丈夫王庆来（刘佩琦）在与村长争执时被对方踢伤下体无法再干农活，只能整日躺在床上，对此村长没表一态。秋菊气不过，找村长理论不得对方理会，为讨一口气，她一纸诉状将村长告到了乡政府。乡政府李公安耐心调解一番后，村长答应赔偿秋菊家的经济损失，却是把钞票直接扔在地上拒不道歉。
村长的举动虽蛮横无理，众人还是觉得事情可以就此划上句号，唯独秋菊被激怒，立誓要讨个说法，于是她挺着个大肚子和妹妹来到县城，开始了漫漫告状路。

段小楼（张丰毅 饰）与程蝶衣（张国荣 饰）是打小儿一起长大的师兄弟，两人一个演净，一个饰旦，配合天衣无缝，一出《霸王别姬》更是誉满京城。为此，两人约定合演一辈子《霸王别姬》。但两人对戏剧与人生关系的理解有着本质的不同，段小楼深知戏非人生，程蝶衣则是人戏不分。
段小楼在认为该成家立业之时迎娶了名妓菊仙（巩俐 饰），程蝶衣认定菊仙是勾引了段小楼，使段小楼做了叛徒。自此，三人围绕一出《霸王别姬》生出的爱恨情仇随着时代风云的变迁不断升级，终酿成悲剧。