Rose DeWitt Bukater adlı 100 yaşındaki bir kadın, ünlü Titanik gemisiyle yaptığı yolculuğu anlatıyor. Hikâyesini torunu Lizzy Calvert ve Titanik enkazıyla ilgilenen bir grup erkekle paylaşmaktadır. Mürettebatın üyeleri Brock Lovett, Lewis Bodine, Bobby Buell ve Anatoly Mikailavich'tir. Hikayeyi Keldysh'teyken anlatır. Adamlar Keldysh'te gemiyle birlikte battığını düşündükleri "Okyanusun Kalbi" adlı ünlü bir kolyeyi bulmaya çalışmaktadır. Geminin yola çıkışından Titanik'in ilk (ve son) seferinde 15 Nisan 1912'de sabaha karşı 2:20'de batışına kadar tüm hikayeyi anlatmaya devam ediyor. Filmin büyük bir kısmı Yaşlı Rose'un hikayeyi anlatmasıyla değil, Genç Rose'un hikayeyi yaşamasıyla geçiyor.
10 Nisan 1912'de Genç Rose, annesi Ruth DeWitt Bukater ve nişanlısı Caledon 'Cal' Hockley ile birlikte üst sınıf yolcularla birlikte Titanic adlı gemiye biner. Bu sırada Jack Dawson adında bir serseri ve sanatçı ile en yakın arkadaşı Fabrizio De Rossi, bir oyunda gemiye üçüncü sınıf bilet kazanırlar.
Amerikalı Jack Dawson, rıhtımdaki bir kart oyunu sırasında RMS Titanic'te bir seyahat kazandıktan sonra, zengin züppe nişanlısı Cal Hockley ile evlenmek üzere Philadelphia'ya giden sosyete kızı Rose DeWitt Bukater'ı görür. İçinde bulunduğu durum karşısında çaresizce kapana kısılmış hisseden Rose, arka güverteye çıkar ve Jack tarafından kurtarılana kadar intihar etmeyi düşünür. Bu nedenle Cal, Jack'i birinci sınıf masalarında yemek yemeye davet etmek zorunda kalır ve züppe ev sahiplerinin hakaretlerine maruz kalır. Karşılığında Rose'u üçüncü sınıfa dans etmeye götürür ve ona hayatının en güzel anlarını yaşatır. Planladığı gelecekten hep birlikte vazgeçmeye karar veren Rose, Paris sokaklarında eskiz yaparak hayatını kazanan Jack'ten, Cal'in ona verdiği paha biçilmez mavi elması takarak kendisini çıplak olarak çizmesini ister. Cal bunu öğrenir ve Jack'i hapse attırır. Kısa bir süre sonra gemi bir buzdağına çarpar ve Rose Jack'i bulmak zorunda kalırken, her ikisi de gemi dondurucu suların derinliklerine batarken Cal'dan kaçmak zorundadır.
1996 yılında, hazine avcısı Brock Lovett ve ekibi en ünlü batık olan RMS Titanic'e ulaştı. "Okyanusun Kalbi" olarak adlandırılan ünlü bir elması içerdiğine inanılan bir kasayla ortaya çıkan Lovett, kasada elmasın değil, onu takan genç ve güzel bir kadının resminin olduğunu keşfeder. Lovett daha sonra televizyona röportaj verdiğinde, çizimi kameralara gösterir ve artık 101 yaşında olan Rose Dawson Calvert çizimdeki genç kadını, yani kendisini tanır. Torunu Lizzy ile birlikte Lovett'i araştırma gemisinde enkaz alanında ziyaret eder ve ona Titanik'in ve talihsiz ilk yolculuğunun hikâyesini anlatır.
1912 yılında, 17 yaşındaki sosyete kızı Rose DeWitt Bukater, nişanlısı Pittsburgh Steel'in sahibi Caledon Hockley ve annesi Ruth DeWitt Bukater ile birlikte Southampton'da geminin birinci sınıf süitlerine biner. Ayrıca fakir sanatçı Jack Dawson ve en iyi arkadaşı Fabrizio De Rossi de şanslı bir poker oyununun ardından gemiye binerler. Rose üçüncü sınıfta kıçtan atlayarak intihara teşebbüs ettiğinde, Jack onu gemiye geri çeker... ve ertesi gün Jack tarafından birinci sınıfa davet edilmesiyle aralarında bir bağ oluşur. Jack ve Rose birbirlerine aşık olurken Rose'un annesi ve Cal onları ayırmak için çaresizce önlemler almaya çalışırlar, ta ki Titanik bir buzdağına çarpıp ağır hasar alana kadar. Artık Jack ve Rose hayatta kalmak için savaşmak zorundadır, tutkulu aşkları bir hayatta kalma mücadelesine dönüşür, ancak Jack sonunda aşırı soğuk suda çok fazla zaman geçirdiği için donarak ölür.