七十年代中期，胶片时代，一代人的回忆与情怀。在物质与精神皆匮乏的年代，人们对电影世界产生无限的好奇与热情。
　　1975年，劳改犯张九声（张译 饰）听闻已经多年未见的女儿在《新闻简报》中出镜，冒死逃出劳改农场，希望在电影院播放《新闻简报》时看到女儿。逃跑路上，他结识了想把胶片偷来做成灯罩的刘闺女（刘浩存 饰），以及想要保住工作的二分场电影放映员范电影（范伟 饰）。然而，《简报》的胶片在运输过程中出了意外，在地上被拖行好几里的路，损毁严重。后在众人的合力清洗修复胶片下，电影如期放映，张九声如愿看到女儿，随后被抓回劳改农场。
　　两年后， 国家落实政策，张九声被释放。他特意越过沙漠来到二分场与刘闺女重逢。刘闺女赶回家里，取出了珍藏的那一小片在张九声被抓时曾经包着含有张九声女儿的两帧《新闻简报》胶片的报纸。刘闺女带他到沙漠里寻找失落的胶片，瀚海茫茫，无从寻找。两人在沙漠中笑着望向远方…

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。