米娅（艾玛·斯通 Emma Stone 饰）渴望成为一名演员，但至今她仍旧只是片场咖啡厅里的一名平凡的咖啡师，尽管不停的参加着大大小小的试镜，但米娅收获的只有失败。某日，在一场派对之中，米娅邂逅了名为塞巴斯汀（瑞恩·高斯林 Ryan Gosling 饰）的男子，起初两人之间产生了小小的矛盾，但很快，米娅便被塞巴斯汀身上闪耀的才华以及他对爵士乐的纯粹追求所吸引，最终两人走到了一起。
在塞巴斯汀的鼓励下，米娅辞掉了咖啡厅的工作，专心为自己写起了剧本，与此同时，塞巴斯汀为了获得一份稳定的收入，加入了一支流行爵士乐队，开始演奏自己并不喜欢的现代爵士乐，没想到一炮而红。随着时间的推移，努力追求梦想的两人，彼此之间的距离却越来越远，在理想和感情之间，他们必须做出选择。

1912年4月10日，号称 “世界工业史上的奇迹”的豪华客轮泰坦尼克号开始了自己的处女航，从英国的南安普顿出发驶往美国纽约。富家少女罗丝（凯特•温丝莱特）与母亲及未婚夫卡尔坐上了头等舱；另一边，放荡不羁的少年画家杰克（莱昂纳多·迪卡普里奥）也在码头的一场赌博中赢得了下等舱的船票。
罗丝厌倦了上流社会虚伪的生活，不愿嫁给卡尔，打算投海自尽，被杰克救起。很快，美丽活泼的罗丝与英俊开朗的杰克相爱，杰克带罗丝参加下等舱的舞会、为她画像，二人的感情逐渐升温。
1912年4月14日，星期天晚上，一个风平浪静的夜晚。泰坦尼克号撞上了冰山，“永不沉没的”泰坦尼克号面临沉船的命运，罗丝和杰克刚萌芽的爱情也将经历生死的考验。