В 1996 году охотник за сокровищами Брок Лаветт и его команда на научно-исследовательском судне «Академик Мстислав Келдыш » на глубоководных батискафах «Мир-1» и «Мир-2» погружаются на дно Атлантического океана , где покоятся останки лайнера «Титаник », затонувшего 15 апреля 1912 года. Они обнаруживают сейф, в котором, по предположению Лаветта, должно находиться ожерелье с голубым бриллиантом , известное как «Сердце океана». В начале XX века один питтсбургский Ротшильд Натан Хокли приобрёл его для своего сына-промышленника Каледона, который подарил ожерелье в качестве свадебного подарка своей невесте — англичанке Роуз Дьюитт Бьюкейтер, вместе с которой он плыл на «Титанике» в США, где они должны были пожениться. Каледон спасся во время катастрофы, Роуз погибла, а ожерелье было утеряно и, предположительно, ушло на дно вместе с кораблём. Но, к разочарованию исследователей, в сейфе оказываются только размокшие бумаги, среди которых хорошо сохранившийся портрет, датированный 14 апреля 1912 года. На портрете, подписанном инициалами «J. D.», изображена обнажённая девушка с похожим ожерельем. Тем временем бывшая актриса Роуз Келверт, женщина в возрасте неполного 101 года, смотрит по телевизору репортаж телеканала CNN об этой экспедиции и видит портрет обнажённой женщины. Она звонит Броку Лаветту и сообщает ему, что знает о бриллианте «Сердце океана» и о том, что девушка на портрете — это она сама. Роуз, сопровождаемая своей внучкой Лиззи, вылетает на вертолёте на «Академик Мстислав Келдыш». Хотя Лаветту говорят, что женщина вполне может оказаться авантюристкой, он соглашается её выслушать, надеясь, что она расскажет ему о том, куда делось «Сердце океана». Представ перед Лаветтом и его командой и подтвердив, что она действительно Роуз Дьюитт Бьюкейтер, Роуз начинает свою историю.
«Титаник » покидает Белфаст для прохождения ходовых испытаний.
10 апреля 1912 года 17-летняя Роуз, её мать Руфь и Каледон Хокли поднимаются в Саутгемптоне на борт «Титаника» в качестве пассажиров 1-го класса. Будущее замужество Роуз и Каледона целиком строится на расчёте — Руфь хочет выдать дочь за богача, чтобы поправить своё пошатнувшееся после смерти мужа финансовое положение. Тем временем молодой американский бродяга и художник из Висконсина Джек Доусон, пытавший счастья в Европе, и его приятель Фабрицио, наоборот, мечтающий уехать в Америку, выигрывают в покер билеты на лайнер в третий класс и в самый последний момент успевают попасть на борт. Роуз — свободолюбивая девушка, ей чужда мораль высшего общества. Вечером, когда лайнер уже в пути, она в порыве отчаяния хочет покончить с собой , спрыгнув с судна, но Джек её останавливает, хотя в последний момент Роуз чуть было не падает за борт. Вскоре их обнаруживают три члена команды «Титаника», которые, неправильно поняв ситуацию, сначала скручивают Джека, думая, что он хотел изнасиловать девушку, но Роуз за него заступается. Каледон весьма туманно благодарит Джека и столь же неохотно приглашает его пообедать с ними следующим вечером в обеденном зале первого класса. С этого момента между Джеком и Роуз завязывается дружба. Он показывает ей свой альбом с художественными работами. Их отношения становятся более глубокими, когда они оставляют пассажиров 1-го класса во время обеда и сбегают в каюты 3-го класса, где в самом разгаре праздник, который приходится Роуз по душе. Однако Каледон и Руфь узнают, где та была, и поручают охране кают первого класса не впускать к ним Джека.
14 апреля при помощи Фабрицио и их друга Томми Райана Джеку удаётся прокрасться на верхнюю палубу и украсть пальто и шляпу, что позволит ему находиться на палубе, не внушая подозрений. Он втаскивает Роуз, которую знакомил с «Титаником» Томас Эндрюс , в спортивный зал и пытается убедить её, что она должна оставить светскую жизнь для её же счастья, и фактически признаётся ей в любви. Разговор ни к чему не приводит, но позже Роуз, задумавшись над словами Джека, находит его на носу лайнера. Они, обнявшись, смотрят на закат солнца, последний для большинства на лайнере. Немного позже Роуз просит, чтобы он нарисовал её портрет — она хочет позировать обнажённой только с кулоном «Сердце океана» на шее. Девушка прячет рисунок вместе с бриллиантом в сейф, написав язвительную записку Каледону. Между тем, камердинер и ищейка Каледона Лавджой обнаруживает Джека и Роуз вместе и начинает преследовать их по всему лайнеру, но теряет их след у входа в котельную. В грузовом отсеке, в автомобиле «Renault », между молодыми людьми начинаются интимные отношения. Тем временем капитан Смит игнорирует предупреждения о многочисленных айсбергах, находящихся на пути судна, и «Титаник» продолжает идти ночью с большой скоростью по настоянию исполняющего директора «White Star Line » Джозефа Брюса Исмея . После того как вперёдсмотрящие Фредерик Флит и Реджинальд Ли отвлеклись на Роуз и Джека, целующихся на носовой палубе, они вдруг видят айсберг прямо перед «Титаником». Несмотря на усилия вахтенного офицера, первого помощника капитана Уильяма Мэрдока и инженеров в котельной и в машинном отделении, избежать столкновения не удаётся. В 23:40 лайнер со всей силой ударяется правым бортом по айсбергу и вода начинает проникать в носовые отсеки лайнера. Айсберг видели только люди, находившиеся на верхних палубах, в том числе Джек и Роуз. Пассажиры, находившиеся в салонах и каютах судна, ничего не знают о случившемся столкновении.
Сердце океана
Каледон находит рисунок и бриллиант в своём сейфе и догадывается об отношениях Джека и Роуз. Как только они прибегают к Каледону, чтобы сообщить о столкновении, он обвиняет Джека в краже бриллианта (до этого по его приказу Лавджой подбросил бриллиант в карман пальто Джека) и приказывает одному из полицейских надеть на него наручники и запереть в одной из кают. Между тем капитану Смиту докладывают, что судно обречено и затонет в ближайшие два часа, а ближайшее судно «Карпатия » сможет прийти на помощь только через 5 часов. Смит приказывает начать эвакуацию на посадку в шлюпки первыми женщин и детей. В разговоре с Каледоном Роуз чувствует, что Джек невиновен, и понимает сама, что весь спектакль с кражей разыграли сами Каледон и Лавджой. Несмотря на шанс спастись с тонущего лайнера вместе со своей матерью в спасательной шлюпке, Роуз убегает, хотя Каледон её останавливает и пытается переубедить. Роуз узнаёт от Томаса Эндрюса, как добраться до комнаты, где находится Джек, и которая сейчас медленно заполняется водой. Пройдя череду испытаний, Роуз удаётся освободить Джека, а затем они выбираются из затопленной области на верхнюю палубу, где Каледон ищет невесту. На палубе офицеры «Титаника» не позволяют мужчинам садиться в спасательные шлюпки, и Каледон, улучив момент, пытается подкупить первого помощника Уильяма Мэрдока, чтобы тот пропустил его в шлюпку при посадке. Роуз отказывается уплывать без Джека, и тогда ему и Каледону приходится временно объединиться, чтобы убедить её сесть в шлюпку. При посадке Каледон отдаёт ей своё пальто, забыв при этом, что он положил в его карман бриллиант. Как только спасательная шлюпка начинает спускаться на воду, Роуз понимает, что не может оставить Джека, и выскакивает из шлюпки на одну из нижних палуб. Роуз и Джек встречаются на большой лестнице, и пришедший в бешенство Каледон выхватывает пистолет у Лавджоя и преследует влюблённых, стреляя в них. У Каледона заканчиваются патроны, когда Джек и Роуз оказываются в столовой 1 класса, в которую стремительно прибывает вода. Он перестаёт преследовать их, когда видит, что помещение почти затоплено. Джек и Роуз снова проделывают путь на верхнюю палубу и в конечном итоге выбираются, но к тому моменту на палубе только две спасательные шлюпки.
Между тем вода начинает очень быстро затоплять нижние палубы, приближаясь к шлюпочной. Среди пассажиров начинается паника. Томми и Фабрицио пытаются незаметно пробраться в первую шлюпку самостоятельно, чтобы спастись. Уильям Мэрдок, отвечающий за спуск шлюпки, угрожает пристрелить любого, который попробует пробраться в шлюпку, а в ответ на попытку Каледона напомнить об «уговоре» бросает полученные ранее деньги ему в лицо. Между тем кто-то из пассажиров пытается пробраться к шлюпке по надстройкам верхней палубы, и Мэрдок убивает его, а затем стреляет в Томми, которого толпа случайно подталкивает к лежащей шлюпке. Томми умирает на руках у Фабрицио. Осознав, что он сделал, Мэрдок отдаёт честь обречённому судну и совершает самоубийство. Каледон всё-таки садится в спасательную шлюпку, прикинувшись отцом постороннего потерявшегося ребёнка. В это время вода уже достигает носовой части шлюпочной палубы и начинает затапливать офицерские каюты, капитанский мостик, и оркестр «Титаника» играет заключительную песню «Nearer, My God, to Thee ». Многие люди теряют надежду на спасение и ждут своей смерти: капитан Эдвард Смит запирается на капитанском мостике; конструктор Томас Эндрюс, остался ждать свою смерть в курительной комнате 1 класса, где поправляет время на каминных часах, сверив их со своими карманными; некоторые семьи остаются в каютах, чтобы там вместе встретить свою смерть. Офицеры пытаются спустить на воду самую последнюю шлюпку на лайнере, когда вода достигает парадной лестницы. Капитана показывают в последний раз в тот момент, когда вода, разбив остекление, затопляет рулевую рубку. Каледон, видя, что шлюпка уже полна и больше никого не выдержит, начинает отбиваться от находящихся в воде людей веслом. При попытке пробраться на шлюпку Фабрицио случайно погибает, когда на него и на других оказавшихся в воде пассажиров со всей силой обрушивается первая дымовая труба, так как лайнер начал очень сильно крениться на нос. Джек и Роуз направляются к самому концу кормовой части лайнера, которая поднимается все выше. Скоро на лайнере гаснет свет и сразу же после этого под собственным весом лайнер разламывается на две части в районе третьей дымовой трубы, кормовая часть на несколько секунд становится на воду горизонтально, но две половины лайнера всё ещё соединены друг с другом двойным килем, поэтому кормовая часть начинает очень резко крениться вверх, а затем постепенно уходит под воду вертикально, почти под прямым углом.
Под водой Джеку и Роуз удаётся выбраться из тянущей их на дно воронки, сформировавшейся от тонущего судна. Они еле-еле находят друг друга среди множества тонущих людей, и Джеку удаётся затащить Роуз на плавающий кусок деревянной обшивки, но из-за его узкости Джек не может на него залезть. Он просит любимую поклясться, что она сделает всё, чтобы выжить. Спустя ещё некоторое время наступает полная тишина, и Роуз ложится на спину, начиная хриплым голосом напевать песню, которую ей пел Джек: «Летит Джозефина в крылатой машине. Всё выше и выше, и выше летит… ». Одну из спасательных шлюпок, под командой 5 помощника Гарольда Лоу решают вернуть на место крушения, чтобы попытаться найти кого-нибудь из выживших. Роуз слышит отдалённые крики и поворачивается к Джеку, пробуя разбудить его, но обнаруживает, что он умер от гипотермии . Она пытается кричать, чтобы привлечь внимание лодки, но её голос от переохлаждения уже осип. Пообещав Джеку, что она сдержит своё обещание, Роуз отпускает его тело и, воспользовавшись свистком уже мёртвого старшего помощника Генри Уайлда, привлекает внимание шлюпки. Позже на палубе «Карпатии» Роуз в последний раз видит Каледона, который ищет её, но она старается остаться незамеченной им, и тот уходит ни с чем (за кадром она сообщает, что Каледон в дальнейшем женился и унаследовал отцовские деньги, но во время краха 1929 года потерял их все и в итоге покончил с собой). Позже, во время переписи спасшихся, она называет себя Роуз Доусон, тем самым окончательно порывая со своей прошлой жизнью.
Пожилая Роуз, закончив свой рассказ, позже, ночью, никем не замеченная, идёт на корму «Академика Мстислава Келдыша», и выясняется, что она всё это время хранила «Сердце океана» при себе (по прибытии в Нью-Йорк Роуз, глядя на Статую Свободы , обнаруживает его в кармане пальто жениха). Поднявшись на поручень, Роуз бросает ожерелье в воду, где покоится затонувший «Титаник». Затем камера переносится в каюту женщины, где на расставленных на тумбочке фотографиях на одном из снимков девушка запечатлена сидящей на лошади на пристани в Санта-Монике (они с Джеком мечтали побывать там вместе). Затем камера показывает спящую Роуз, чьё сознание вдруг переносится на дно Атлантики, где перед зрителем предстаёт носовая часть затонувшего «Титаника», которая затем преображается до своего изначального состояния во время своего первого и последнего путешествия. Далее камера залетает на парадную лестницу, где помолодевшая Роуз в окружении всех, кто погиб в ту ночь, видит на верхнем пролёте лестницы Джека (в этот момент видно, что часы показывают 2 часа 20 минут, то есть момент окончательного погружения лайнера) и они воссоединяются под аплодисменты присутствующих. Заключительные титры идут в сопровождении песни Селин Дион «My Heart Will Go On ».