Tahun 1996, di atas kapal riset Akademik Mstislav Keldysh, pemburu harta karun Brock Lovett dan timnya menyelam ke bangkai RMS Titanic buat mencari kalung legendaris Heart of the Ocean. Bukannya nemu harta, mereka justru mengangkat brankas berisi sketsa seorang perempuan muda yang mengenakan kalung itu.

Gambar tersebut bertanggal 14 April 1912, hari ketika Titanic menabrak gunung es dan tenggelam, menewaskan sekitar 1.500 orang. Setelah liputannya tayang di TV, Rose Dawson Calvert yang sudah berusia lebih dari 100 tahun menghubungi Lovett dan mengaku bahwa dialah perempuan di sketsa itu.

Rose lalu naik ke kapal riset dan mulai menceritakan kisah hidupnya di Titanic. Mundur ke 1912, Rose DeWitt Bukater yang berusia 17 tahun naik Titanic dari Southampton bersama tunangannya yang kaya, Cal Hockley, dan ibunya, Ruth.

Rose terjebak pertunangan tanpa cinta, tapi Ruth menekan karena pernikahan itu dianggap solusi masalah keuangan keluarga. Putus asa, Rose sempat berniat mengakhiri hidup dengan melompat dari buritan kapal, sampai akhirnya dicegah oleh Jack Dawson, seniman muda miskin yang hidup nomaden.

Dari situ, keduanya jadi dekat. Jack jatuh cinta, dan meski awalnya ragu, Rose akhirnya membalas perasaannya, meski harus menghadapi penolakan Cal dan ibunya. Rose mengajak Jack ke kabinnya dan meminta ia digambar hanya mengenakan kalung tersebut.

Setelahnya, mereka kabur dari kejaran Lovejoy, tangan kanan Cal, dan hubungan mereka makin intens. Tak lama kemudian, Titanic menabrak gunung es. Para perwira mulai membahas betapa parahnya situasi.

Saat Cal menemukan sketsa Rose, ia memerintahkan Lovejoy menjebak Jack dengan menyelipkan kalung itu di sakunya. Jack dituduh mencuri dan dikurung, sementara Cal menyimpan kalungnya. Ketika Titanic mulai tenggelam, perempuan dan anak-anak diprioritaskan naik sekoci. Rose berhasil menyelamatkan Jack, dan mereka kembali ke dek.

Cal membujuk Rose naik sekoci dengan janji ia dan Jack akan menyusul, bahkan tanpa sadar menyampirkan mantel berisi kalung ke tubuh Rose. Namun saat sekoci diturunkan, Rose melompat kembali ke kapal karena tak sanggup meninggalkan Jack.

Murka, Cal mengejar mereka dengan pistol di kapal yang makin terendam, sebelum akhirnya menyerah dan menyelamatkan diri dengan berpura-pura menjadi ayah seorang anak.