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……
故事讲述一家人，三个姐妹的爱情故事。郭富城和刘若英、陈奕迅和桂纶镁、井柏然和杨颖组成的全新“梦幻组合”上演“全球热恋”。
《全球热恋》是导演陈国辉和夏永康继票房大热《全城热恋》后的一个延续，影片讲述一位母亲和她三个成年女儿各自的爱情挣扎。每个女人本身都有一个成就，除了爱情…… 直至她们在北京、悉尼，以至月球上遇上一段新恋情。
Mary妈(由徐帆特别出演)失去丈夫，从国外回到北京，今天不用为生活忧愁的她，大方得体却挺爱撒娇，闲时弄弄花，老来才学烧菜。她保持着愉快的心情，盼望的就是三个女儿能有简单幸福的爱情和生活。
身为航天员的大女儿Rose (刘若英饰)，独立能干，就是有些好胜。经过多年来苦侯，终于获得首个太空任务，竟被编派与前度情人Michael(郭富城饰)一起执行。两人困在狭窄太空舱中的尴尬，飘浮把握不着的岂止是无重的身体？不斗气不成冤家，无重状态下冲突的情景固然惹笑，但绝男狠女的戏谑和太空中不明的危险，同样使人惧怕。究竟怎样才能完成任务，安全着陆？
二女儿Lily (桂纶镁饰)身在澳洲悉尼，患有洁癖──说穿了就是承受不起感情创伤。心理医生(杜汶泽客串)开出以情治伤的治疗方案，Lily怀着信心一试之下，竟遇上了“垃圾男”Johnny(陈奕迅饰)，这也未免太滑稽，太困难了，难道戏还没开唱就要谢幕？Lily和Johnny互生的好感和一再的相遇，促使他们勇敢的约会起来。不过误会锲而不舍，隔在他俩中间的并非清洁剂及消毒药水，而是各自自卑的心理障碍。
与Mary妈同住屋檐下的小女儿牡丹(杨颖饰)也不省心，虽然她已是偶像级人气明星，但星途殊不顺意，因为她已经三次蝉联金扫帚奖的最烂女主角。誓要奋发雪耻的她，决定伪装成咖啡厅待应，以汲取真实经验。在咖啡厅，她认识了有才情的穷小子闻风(井柏然饰)，两人发展起来，牡丹却被剧组追人开拍《月满夜巴黎》。两个人的现实世界突然起了冲突 ， 这段看似童话般的爱情会有怎样的结局？
满月对中国人有特别的意义，除了团聚之外，更与祝愿有直接关联。究竟Mary妈的三个宝贝女儿，在她魔法般强烈的祝福下，究竟能否战胜爱捣乱的爱神，得到童话般简单幸福的爱情和生活？月亮会作证。
