Une femme de 100 ans, Rose DeWitt Bukater, raconte son voyage sur le célèbre navire Titanic. Elle partage cette histoire avec sa petite-fille, Lizzy Calvert, et un équipage d'hommes qui s'intéressent au naufrage du Titanic. Les membres de l'équipage se nomment Brock Lovett, Lewis Bodine, Bobby Buell et Anatoly Mikailavich. Elle raconte l'histoire alors qu'elle se trouvait sur le Keldysh. Les hommes sont à bord du Keldysh et tentent de retrouver un célèbre collier appelé "Le cœur de l'océan" qui, selon eux, a coulé avec le navire. Elle explique ensuite toute l'histoire, du départ du navire au naufrage du Titanic lors de son premier (et dernier) voyage à 2h20 du matin le 15 avril 1912. La plus grande partie du film n'est pas l'histoire racontée par Old Rose, mais celle vécue par Young Rose.
Le 10 avril 1912, Young Rose monte à bord d'un navire appelé Titanic avec les passagers de la classe supérieure, sa mère, Ruth DeWitt Bukater, et son fiancé, Caledon "Cal" Hockley. Pendant ce temps, un vagabond et artiste nommé Jack Dawson et son meilleur ami Fabrizio De Rossi gagnent des billets de troisième classe pour le navire lors d'un jeu.
Après avoir gagné un voyage sur le RMS Titanic lors d'une partie de cartes à quai, l'Américain Jack Dawson repère la mondaine Rose DeWitt Bukater qui est en route pour Philadelphie pour épouser son riche fiancé snob Cal Hockley. Rose se sent impuissante face à sa situation et se rend sur le pont arrière. Elle pense au suicide jusqu'à ce que Jack la sauve. Cal est donc obligé d'inviter Jack à dîner à leur table de première classe où il souffre des moqueries de ses hôtes snobs. En retour, il emmène Rose en troisième classe pour une soirée de danse, lui offrant ainsi le meilleur moment de sa vie. Décidant de renoncer à son avenir, Rose demande à Jack, qui a gagné sa vie en faisant des croquis dans les rues de Paris, de la dessiner nue portant le précieux diamant bleu que Cal lui a offert. Cal le découvre et fait enfermer Jack. Peu après les quarts, le navire heurte un iceberg et Rose doit trouver Jack tandis que les deux doivent fuir Cal alors même que le navire s'enfonce plus profondément dans l'eau glacée.
En 1996, le chasseur de trésors Brock Lovett et son équipe ont atteint l'épave la plus célèbre de toutes - le RMS Titanic. Il en ressort avec un coffre-fort dont on pense qu'il contient un célèbre diamant appelé "Heart of the Ocean". Il découvre que le coffre-fort ne contient pas le diamant, mais un dessin d'une belle jeune femme qui le porte. Lorsque Lovett est ensuite interviewé à la télévision, il montre le dessin aux caméras, et Rose Dawson Calvert, maintenant 101 ans, reconnaît la jeune femme sur le dessin - elle-même. Elle et sa petite-fille Lizzy rendent visite à Lovett sur son bateau de recherche au-dessus du site de l'épave, et lui racontent l'histoire du Titanic et de son malheureux voyage inaugural.
En 1912, Rose DeWitt Bukater, une jeune fille de 17 ans, monte à bord des suites de première classe du navire avec son fiancé, Caledon Hockley, propriétaire du magnat de l'acier de Pittsburgh, et sa mère, Ruth DeWitt Bukater, à Southampton. Le pauvre artiste Jack Dawson et son meilleur ami Fabrizio De Rossi montent également à bord, après qu'une heureuse partie de poker les ait fait gagner dans l'entrepont. Lorsque Rose tente de se suicider en sautant de la poupe en troisième classe, Jack la ramène sur le navire... et un lien se crée entre eux puisque Jack est invité par elle en première classe le lendemain. La mère de Rose et Cal tentent désespérément de les séparer alors que Jack et Rose tombent amoureux, jusqu'à ce que le Titanic heurte un iceberg et soit gravement endommagé. Jack et Rose doivent maintenant se battre pour rester en vie, car leur histoire d'amour passionnée devient une lutte pour la survie, mais Jack finit par mourir de froid parce qu'il a passé trop de temps dans l'eau extrêmement froide.