Uma mulher de 100 anos, chamada Rose DeWitt Bukater, conta uma história sobre sua viagem no famoso navio Titanic. Ela está compartilhando a história com sua neta, Lizzy Calvert, e uma tripulação de homens que estão interessados no naufrágio do Titanic. Os membros da tripulação são chamados Brock Lovett, Lewis Bodine, Bobby Buell e Anatoly Mikailavich. Ela conta a história enquanto estava no Keldysh. Os homens estão no Keldysh tentando encontrar um famoso colar chamado "O Coração do Oceano", que eles acham que afundou com o navio. Ela continua a explicar toda a história desde a partida do navio até o afundamento do Titanic em sua primeira (e última) viagem, às 2:20 da manhã do dia 15 de abril de 1912. A maior parte do filme não é a Rosa Velha contando a história, mas a Rosa Jovem realmente vivendo a história.
Em 10 de abril de 1912, a jovem Rose embarca num navio chamado Titanic com os passageiros da classe alta, sua mãe, Ruth DeWitt Bukater, e seu noivo, Caledon 'Cal' Hockley. Enquanto isso, um vagabundo e artista chamado Jack Dawson e seu melhor amigo Fabrizio De Rossi ganham bilhetes de terceira classe para o navio em um jogo.
Depois de ganhar uma viagem no RMS Titanic durante um jogo de cartas nas docas, o americano Jack Dawson vê a garota da sociedade Rose DeWitt Bukater que está a caminho da Filadélfia para casar-se com seu rico noivo snob Cal Hockley. Rose se sente impotente diante de sua situação e se dirige para o baralho de popa e pensa em suicídio até ser resgatada por Jack. Cal é, portanto, obrigado a convidar Jack para jantar em sua mesa de primeira classe, onde ele sofre com as lentidões de seus anfitriões esnobes. Em troca, ele convida Rose para uma noite de dança em terceira classe, dando-lhe o tempo de sua vida. Decidindo renunciar a seu futuro, Rose pede a Jack, que ganhou a vida fazendo esboços nas ruas de Paris, para desenhá-la nua usando o inestimável diamante azul que Cal lhe deu. Cal descobre e tem Jack trancado. Logo após as alas, o navio bate em um iceberg e Rose deve encontrar Jack, enquanto ambos devem fugir de Cal mesmo quando o navio afunda mais fundo na água gelada.
Em 1996, o caçador de tesouros Brock Lovett e sua equipe chegou ao naufrágio mais famoso de todos - o RMS Titanic. Emergindo com um cofre que se acredita conter um famoso diamante chamado "Coração do Oceano", ele descobre que o cofre não segura o diamante, mas um desenho de uma bela jovem mulher usando-o. Quando Lovett é entrevistado mais tarde na televisão, ele mostra o desenho para as câmeras, e Rose Dawson Calvert, agora 101, reconhece a jovem mulher no desenho - ela mesma. Ela e sua neta Lizzy visitam Lovett em seu navio de pesquisa sobre o naufrágio, e contam sua história do Titanic e de sua malfadada viagem inaugural.
Em 1912, Rose DeWitt Bukater, de 17 anos de idade, embarca nas suítes de primeira classe do navio com seu noivo, o magnata da Pittsburgh Steel, Caledon Hockley, e sua mãe, Ruth DeWitt Bukater, em Southampton. Também embarcam o pobre artista Jack Dawson e seu melhor amigo Fabrizio De Rossi, depois de um jogo de pôquer de sorte os ganha em novilhos. Quando Rose tenta o suicídio saltando da popa em terceira classe, Jack a puxa de volta para o navio... e uma ligação é forjada entre eles, pois Jack é convidado por ela para a primeira classe no dia seguinte. A mãe de Rose e Cal tentam medidas desesperadas para mantê-los separados enquanto Jack e Rose se apaixonam, até que o Titanic se choca com um iceberg e é gravemente danificado. Agora Jack e Rose devem lutar para permanecer vivos, pois seu romance apaixonado se torna uma luta pela sobrevivência, mas Jack acaba congelando até a morte devido a passar muito tempo em água extremamente fria.