故事以六十年代初期为背景，折射的却是90年代人们疲惫的灵魂。
　　阿飞(张国荣)是上海移民，他从未见过生母，自小由养母养大，因此长大后他对生命中遇到的每一个女人都冷酷无情。放荡不羁的他先后与售票员苏丽珍(张曼玉)和舞女咪咪(刘嘉玲)同居，但后来又相继抛弃了她们。阿飞决计找到生母，为此他只身前往南洋。一直暗恋苏丽珍的警察(刘德华)目睹了苏丽珍与阿飞的决裂后，决定改行去跑船。在菲律宾，他又见到了阿飞，此时的阿飞已在一场欧斗中身负重伤。他守着阿飞死在一列返乡的火车上。

1966年，离开香港的周慕云藏起了一个秘密，直到在新加坡遇到了苏丽珍。谜一般的苏丽珍让他想起了另一个身影，那个也叫苏丽珍的女人在他心里一直是 一个没有人知道的过去。周慕云的眼光跟随着苏丽珍穿梭在赌场里，她拯救周慕云的沉溺，却不愿跟着他离开。

　　独自回到香港的周慕云，在平安夜巧遇旧识LuLu，然而LuLu却对以前的往事毫无记忆。LuLu想不起和周慕云的那段过去，周慕云却在LuLu居住的酒店里发现了一组似曾相识的数字：2046。2046号房曾经充满了周慕云和苏丽珍的回忆，如今只剩下LuLu与男友CC爱恨交织的痕迹。

　　周慕云于是搬进了2047号房间，知道了酒店老板的两个女儿王洁雯与王静雯各有心事，洁雯情窦初开，静雯与日籍男友的感情不被允许。此时新房客白玲住了进来，白玲一身风尘，撩拨起周慕云不费吹灰之力，然而当她动了真情，才发现周慕云早已封锁了内心。

　　于是周慕云开始动笔撰写一部名为《2046》的小说，小说中只要搭上了前往2046的列车，人们就可以找回失去的记忆。没有人想离开2046，除了一个名叫Tak的男子。热恋中的静雯不会知道，故事里她化生的冰冷机器人，曾经带给Tak最渴求的温暖，她的存在是Tak记忆里最大的秘密。

　　一直到公元2046年，那班神秘列车依旧定期开往2046……