故事發生在1963年，報社記者周慕雲（梁朝偉飾演）到新加坡工作而認識職業賭徒蘇麗珍（鞏俐飾演）。短暫交往後，蘇因故離開新加坡而結束一段與周沒有結果的戀情。周慕雲回到香港繼續為報社寫稿維生，此時巧遇住在灣仔東方酒店2046號房舊識露露（劉嘉玲飾演），但露露不幸遭到情殺。爾後周慕雲住進酒店2047號房與酒店老闆的女兒王靖雯（王菲飾演）所住的2046號房比鄰而居。周慕雲以週遭的人物與生活上的點點滴滴為題材，以住房號碼2046杜撰出一個未來的故事《2046》，內容描寫一群癡男怨女千方百計要去一個名為2046的地方，其中穿插了露露遭愛人情殺的情節。王靖雯有一日籍男友Tak（木村拓栽飾演），但因父親反對而分手，Tak因而回到日本，王也因此質疑世上是否有永遠不變的愛情而精神恍惚住進醫院。其後交際花白玲（章子怡）搬進2046號房，因與2047號房近水樓臺，二人亦有段情慾瓜葛，但還是以分手收場。周慕雲掛念王靖雯的病情，希望以過來人的身份寫一個故事《2047》，讓她明白男友的心情。或許是太投入，他發現故事其實說的是自己：「我開始幻想我自己是一個日本人 …」王靖雯受到鼓勵，遠渡重洋到日本與Tak共結連理，留下周慕雲一人形單影隻。