Brock Lovett est le coordinateur d'une équipe qui fouille méticuleusement l'épave du Titanic, paquebot géant réputé insubmersible qui connut pourtant un destin tragique. Lors d'une plongée en sous-marin miniature, il espère mettre enfin la main sur le Cœur de l'Océan, un bijou unique à la valeur inestimable, porté par Louis XVI, dont la découverte lui apporterait la gloire. Mais il remonte des profondeurs un coffre-fort qui se révèle ne contenir qu'un dessin représentant une jeune fille nue portant le bijou en pendentif. À des milliers de kilomètres de là, une vieille dame, rose Calvert (passagère fictive), découvre ce dessin sur l'écran de son téléviseur. Elle contacte Lovett et lui affirme qu'elle est la jeune fille en question. Étant l'une des rares personnes à avoir survécu au naufrage du Titanic encore en vie, elle raconte à Lovett et à son équipe la croisière inaugurale du paquebot, son naufrage, ainsi que l'histoire d'amour qu'elle a vécue avec Jack Dawson, un artiste voyageant en troisième classe. Le 10 avril 1912, elle embarque en effet sur le Titanic avec son fiancé, Caledon Hockley, sa mère, Ruth, et leurs domestiques. Pendant ce temps, dans un pub du port, quatre hommes disputent une partie de poker. Deux d'entre eux, Olaf et Sven, ont misé leurs billets de troisième classe pour le Titanic, billets que remportent finalement leurs adversaires, Jack et Fabrizio. Ceux-ci embarquent ainsi sur le paquebot. Alors que commence la traversée, rose se sent de plus en plus piégée par une haute société qui veut lui faire épouser un homme qu'elle n'aime pas. Finalement, un soir après le dîner, elle tente de sauter de l'arrière du navire. Jack, qui flânait sur le pont, se précipite à son secours et réussit à la sauver. Lorsque Cal et d'autres passagers arrivent sur les lieux, ils décident d'inviter Jack à dîner avec eux en première classe pour le remercier. Reproduction du « Cœur de l'Océan », bijou au centre de l'action du film. Le lendemain, Jack et rose passent la journée ensemble sur le pont du Titanic, discutant de leur vie. Rose envie l'indépendance de Jack et son absence d'attaches. Avec l'aide de Margaret « Molly » Brown, Jack réussit à se rendre présentable pour le dîner où la plupart des invités se montrent amicaux, à l'exception de Ruth et de Cal qui n'affichent que du mépris à son égard. Après le repas, Jack invite rose à une fête en troisième classe, sans savoir qu'ils sont épiés par le valet de Cal, Lovejoy. Le matin suivant, Cal crie après rose et la sermonne sur ce qu'une bonne future épouse se doit d'être. Sa mère exprime également ses craintes : si le mariage n'a pas lieu, leur famille, ruinée, perdra tout. rose décide donc de se sacrifier pour le bien de sa mère. Jack s'introduit frauduleusement en première classe pour la raisonner, mais en vain. Ce n'est qu'au coucher du soleil qu'elle se décide à le rejoindre et à quitter le carcan dû à son rang. Elle demande à Jack de la dessiner nue, ne portant que le Cœur de l'Océan offert peu de temps avant par Cal. Après s'être exécuté, Jack et rose sont obligés de fuir Lovejoy, se réfugiant dans les salles des chaudières puis dans la cale. Peu après être ressortis sur le pont, ils assistent à la collision du Titanic avec un iceberg. Tous deux décident d'aller prévenir Ruth et Cal et retournent à la cabine de rose, mais en chemin, Lovejoy glisse le bijou dans la poche de Jack, qui est accusé du vol et enfermé dans le bureau du capitaine d'armes. Rose, mise au courant de la gravité de la situation par le concepteur du navire, Thomas Andrews, se prépare à monter dans un canot avec sa mère, mais change d'avis au dernier moment et se précipite au secours de Jack. Après sa libération, tous deux réussissent à gagner le pont des embarcations. Jack et Cal persuadent rose de monter dans un canot (Cal a en effet un arrangement avec le premier officier William Murdoch et fait croire à rose que Jack en profitera aussi), mais celle-ci s'enfuit à nouveau. Jack et rose sont alors poursuivis par Cal, qui s'est emparé d'une arme. Finalement, celui-ci abandonne pour sauver sa propre vie et remonte sur le pont. Cependant, dans la panique, l'officier lui rend son argent, et après avoir tué deux passagers, se suicide. Cal s'empare alors d'une fillette et l'utilise comme prétexte pour embarquer sur un des derniers canots. Jack et rose, quant à eux, fuient, rencontrent Andrews dans le fumoir (celui-ci a décidé de périr avec son navire), et sont finalement contraints de se réfugier sur le pont arrière. Pendant ce temps, Fabrizio, l'ami de Jack, est tué par la chute de la première cheminée du paquebot. Lorsque le navire sombre, les deux amants se retrouvent dans l'eau glacée et trouvent un morceau du mur du salon de première classe. Seule rose peut monter dessus, et Jack se laisse mourir pour elle. rose réussit à signaler sa présence au canot de l'officier Harold Lowe, venu chercher des survivants. Les rescapés du naufrage sont pris à bord du Carpathia, rose comprise. À son arrivée à New York, elle donne pour nom à l'homme qui établit une liste de rescapés rose Dawson, et ne donne plus de signe de vie à sa famille. De retour en 1996, rose conclut son histoire, expliquant que Cal, à sa connaissance, s'est suicidé pendant la Grande Dépression. Nul ne sait ce qu'il est advenu du Cœur de l'Océan, mais Brock Lovett déclare avoir enfin compris le sens de l'histoire du Titanic. La nuit venue, rose jette le bijou dans l'Atlantique (il était en réalité resté en sa possession la nuitdu naufrage), puis s'endort et meurt dans sa cabine. Elle rejoint Jack et toutes les victimes du naufrage dans le Grand Escalier du Titanic pour un baiser final.