1990년대, 과학자들은 첨단장비를 동원하여 침몰한 타이타닉 호 안에 있을 보물을 찾기 위해 탐사를 벌인다. 그러던 중 이상한 궤짝 하나를 발견, 기대에 부풀어 열어보지만 한 여인의 나체화 그림만을 발견하고 크게 실망한다. 하지만 그림 속 여인의 목에는 그토록 탐사팀이 찾던 어마어마하게 큰 보석 목걸이가 걸려있었다. TV에서 이 기사를 접한 어느 늙은 할머니가 그림 속의 여자가 바로 자신이라며 직접 탐사선으로 오게 된다. 그림 속 보석 목걸이에 관심을 가진 탐사팀에게 할머니의 이야기가 시작된다.
70여년 전, 17세 소녀 로즈(Rose DeWitt Bukater: 케이트 윈슬렛 분)는, 사교적인 어머니(Ruth DeWitt Bukater: 프랜시스 피셔 분)의 강요로 귀족 집안의 망나니 아들(빌리 제인 분)과 결혼을 앞두고 타이타닉에 승선한다. 한편, 배가 출발하기 바로 전 도박으로 3등석 자리표를 얻은 청년 잭(Jack Dawson: 레오나르도 디카프리오 분)도 친구와 함께 3등석에 승선한다.
엄격한 규율과 예절을 요구하는 상류 사회에 숨막혀 하던 로즈는 결혼을 비관, 배 맨 끝에서 자살하려고 한다. 하지만 우연히 이를 본 잭이 로즈를 극적으로 구출하게 되어 두 사람의 인연이 시작된다. 이 일로 잭은 로즈의 초대를 받아 상류층 사회의 저녁 식사에 초대된다. 하지만 잭은 가식적인 귀족들의 어색한 식사를 재치로 넘기고, 로즈를 3등석의 파티장에 데려가 마음껏 춤추고 즐거운 시간을 보낸다.
그림을 그리는 잭의 자유로운 영혼에 그만 사랑에 빠진 로즈. 잭은 로즈의 제안으로 결혼 예물로 받을 목걸이만을 건, 나체화를 그려주게 되고, 두 사람은 깊은 사이로 발전한다. 하지만 로즈의 약혼자인 막대한 유산의 상속자이자 칼 헉슬리(Cal Hockley: 빌리 제인 분)이 두 사람의 사랑을 질투하여 잭을 보석 목걸이를 훔쳤다고 누명을 씌어 잭을 감금한다.
어느덧 운명의 시간, 빙산에 충돌한 타이타닉호는 몇시간 후 침몰의 시간을 맞이한다. 1등석 사람들은 대부분 구명보트에 오르지만, 3등석의 승객들은 혼란을 막는다는 구실로 출구마저 통제당한다. 감금된 잭의 방에 물이 차 오르고, 로즈는 구명보트의 승선을 앞두고 잭을 구하러 달려간다. 결국 아슬아슬하게 잭은 구출되지만 배는 가라앉기 시작한다.
