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。

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）。