Rose DeWitt Bukater embarca en el RMS Titanic junto a su madre Ruth DeWit Bukater (Frances Fisher), su prometido Cal (Billy Zane) y cientos de personas con destino a Nueva York. Cal es heredero de una gran fortuna, y la madre de Rose la ha obligado a casarse con él para recuperar la fortuna y el renombre que un día tuvieron, pues su fallecido padre las ha dejado con un sin fin de deudas ocultas tras un buen apellido. Mientras tanto, en un bar del puerto, el joven Jack Dawson (Leonardo DiCaprio) y su amigo Fabrizio (Danny Nucci) están jugando una partida de póker en la que el ganador se llevará unos pasajes de tercera clase en el Titanic. Jack gana, y él y Fabrizio se dirigen rápidamente al barco, al que logran subir en el último momento.
Rose es una chica que vive bajo las órdenes de su madre, pero que en el fondo quisiera no pertenecer a ese mundo. Es una muchacha libre, alegre, apasionada y que sueña con amar de verdad, pero que está amarrada de por vida a un hombre a quien no ama. Esta situación provoca que Rose comience a replantearse cómo va a ser su vida, y opta por elegir el camino menos deseado. Cuando está a punto de saltar del barco y acabar con su vida y el futuro que le espera, aparece Jack, que la convence para que no salte del barco. Sin embargo, ocurre un contratiempo, y Rose está a punto de caer, por lo que le grita suplicándole ayuda. Jack logra rescatarla, pero en el momento en que lo hace llegan las autoridades del barco, alertados por los gritos de la muchacha, y viendo una escena confusa, creen que Jack ha intentado abusar sexualmente de ella y lo detienen. La intervención de Rose, justificándose con una mentira, salva a Jack de ir preso, y como agradecimiento, lo invitan a compartir la cena con ellos y contar su hazaña.
Jack recibe la ayuda de una simpática mujer llamada Margaret Brown (Kathy Bates), a quien todos llaman Molly, que le presta un frac de su hijo. Jack se muestra muy tranquilo, sin saber al grupo de aristócratas al que se enfrenta. La velada transcurre sin problemas, salvo comentarios groseros y subidos de tono de la madre de Rose, y éste con sus palabras, demuestra que a pesar de ser la persona más pobre de la mesa, es también la más carismática, sincera, astuta y mejor educada que la madre de Rose. Rose también se da cuenta de ello, por lo que acude a la invitación secreta que este le hace después de acabar la cena. Jack la lleva a una verdadera fiesta, la de tercera clase, donde todos bailan y se divierten al son de una alocada música que no tendría cabida en el mundo de Rose. Ella, gracias a sus ideales, muy diferentes a los que tienen los que la rodean, se divierte como nunca junto a Jack y su gente, y descubre que en el fondo, ellos llevan una vida más alegre que todos los millonarios que abundan en el trasatlántico.
El mayordomo de Cal, Lovejoy (David Warner), que tiene una mala impresión de Jack, los sigue y descubre la fiesta. Así que decide hacérselo saber a su jefe, y este le pone al acecho para que siga a Rose y le informe de lo que hace. Rose es obligada por su madre y por Cal a dejar de ver a Jack, por lo que la joven entiende que sería lo mejor para limpiar el nombre de su padre y salvar sus negocios. Así se lo hace saber a Jack, pero, aunque no está conforme, este le confiesa su amor, y le asegura que entiende que decida dejarlo, pues no tiene ningún futuro que ofrecerle. Sin embargo, Rose pronto cambia de opinión, dándose cuenta de que, aunque es pobre, Jack es la persona más humana, sensata y digna de su amor. Por ello, decide demostrárselo. Y lo busca en la proa, allí se dan su primer beso, en medio de la puesta de sol. Rose lo lleva a su camarote y le pide que la dibuje como a una de sus "chicas francesas”, usando solo el “Corazón del Mar”, que Cal le había dado como regalo de compromiso. Pronto tendrán que huir de las persecuciones de Lovejoy. Los jóvenes descienden por las bodegas y llegan al cargamento, donde se refugian en el Renault de William Carter y hacen el amor. Al subir a la cubierta Rose le asegura a Jack que cuando lleguen a Nueva York se escapará con él.
En la cubierta, son testigos de la colisión del barco contra un iceberg, que lo daña sin remedio. Mientras tanto, Cal descubre el dibujo que Jack le hizo a Rose, y decide vengarse acusándolo de haber robado el "Corazón del Mar", la policía del barco lo detiene y lo esposa en una tubería de su oficina. Mientras tanto, el ingeniero y constructor del barco, Thomas Andrews (Victor Garber) analiza los daños y comunica al capitán Edward John Smith (Bernard Hill) y al presidente de la White Star Line, Bruce Ismay (Jonathan Hyde) que hay cinco compartimentos dañados, uno más de los que el Titanic puede soportar para mantenerse a flote, por lo tanto, el hundimiento es inevitable. Rose asegura que Jack no ha sido, pues ha estado con ella todo el tiempo, pero Cal consigue que crea en él y se la lleva para que embarque en uno de los botes salvavidas y se salve. Pero Rose se da cuenta de que el hombre de su vida está en peligro de morir ahogado, y corre a buscarlo. Tras intentos de pedir ayuda en vano, empuña un hacha para incendios y libera a Jack.
Ahora, Jack y Rose deben luchar para encontrar una salida, pero descubren que se encuentran encerrados en tercera clase junto a más pasajeros. Jack, junto a sus dos amigos Fabrizzio y Tommy, rompe la reja que los aprisiona, ayudados por un banco. Cal y Jack tratan de persuadir a Rose para que suba a un bote; pero dándose cuenta de que no puede dejar a Jack, salta del bote y se reúne con Jack en la escalera de primera clase. Enojado, Cal coge la pistola de Lovejoy y los persigue escaleras abajo, hasta el salón comedor de primera clase. Una vez que se queda sin munición, se da cuenta que ha puesto accidentalmente el diamante en un abrigo que le dio a Rose. Cal ve a una niña pequeña y la coge fingiendo ser su padre, gracias a lo cual lo dejan subir a un bote. Este bote es uno de los dos únicos que quedan en el barco. Cuando Jack y Rose suben de nuevo a la cubierta, ya no quedan botes, así que deciden quedarse en el barco durante el mayor tiempo posible, dirigiéndose hacia la popa del barco. Finalmente, el barco se parte y comienza su descenso final, lanzando a todos a las heladas aguas del Atlántico Norte. Jack y Rose se separan bajo las aguas, pero rápidamente se vuelven a reunir. Alrededor de ellos, más de un millar de personas están muriendo por ahogamiento o hipotermia.
Mientras, en un bote, "Molly" Brown trata de convencer al Timonel Robert Hitchens de volver y rescatar gente pero no lo logra. Entonces Jack ayuda a subir a Rose a un panel procedente del barco, pero él no puede subir. Mientras están allí, Jack la hace prometer a Rose que nunca se rendirá, que pase lo que pase, luchará por sobrevivir. Cuando el Quinto Oficial Harold Lowe (Ioan Gruffudd) vuelve con un bote casi vacío a rescatar gente del agua, Rose trata de despertar a Jack, pero se da cuenta de que éste ha muerto en el agua helada. Ella pierde toda esperanza, y quiere quedarse y morir con Jack, pero recuerda la promesa que le había hecho , así que empieza a llamar a Lowe, mientras el bote se aleja sin escuchar sus gritos.
Manteniendo su promesa, despega la mano de Jack de la suya, dejando desaparecer su cuerpo en las profundidades del océano. Arrojándose al agua, coge el silbato de un oficial muerto, y sopla hasta que los del bote lo oyen, y vuelven a recogerla; tan sólo seis personas son salvadas, contándola a ella; los botes son recogidos por el Carpathia. A bordo del Carpathia, Rose ve a Cal buscarla entre los supervivientes de tercera clase. Tapándose la cara, evita que él la vea. Esa es la última vez que Rose ve a Cal. Cuando el Carpathia está llegando a Nueva York, Rose se registra como Rose Dawson, y, presumiblemente, comienza su propia vida.
A través de la anciana Rose, conocemos que Cal se casó con otra mujer, heredo sus millones y se suicidó durante el crack del 29. La historia subsiguiente de la madre de Rose, que escapó en un bote salvavidas, no es relatada. Después de completar la historia, la anciana Rose camina sola por la cubierta del barco de Lovett, hacia popa. Tras subirse a la valla, se revela que Rose sigue conservando el "Corazón de la Mar". Lo arroja al mar, para que se una a los demás restos del acontecimiento más importante de su vida. Ha mantenido la promesa que le hizo a Jack de no rendirse jamás. Después de esto Rose se encuentra tumbada en su cama con los ojos cerrados, cerca de las fotografías que muestran los logros que ha conseguido a lo largo de su vida. Se deduce que ahí, Rose exhala su último suspiro antes de caer al sueño eterno. Entonces se muestran los restos del Titanic hundido, que en otra vida, se restauran al tiempo que el alma de Rose se mueve por los restos del naufragado Titanic y se reúne con Jack en la Gran Escalera de Primera Clase y la película finaliza.
