Seorang wanita berusia 100 tahun bernama Rose DeWitt Bukater menceritakan kisah tentang pelayarannya di kapal Titanic yang terkenal. Dia berbagi cerita dengan cucunya, Lizzy Calvert, dan kru pria yang tertarik dengan kapal Titanic yang karam. Anggota kru tersebut bernama Brock Lovett, Lewis Bodine, Bobby Buell, dan Anatoly Mikailavich. Dia menceritakan kisahnya saat berada di Keldysh. Orang-orang di Keldysh mencoba menemukan kalung terkenal yang disebut "Jantung Samudra" yang menurut mereka tenggelam bersama kapal. Dia melanjutkan untuk menjelaskan keseluruhan cerita dari keberangkatan kapal hingga tenggelamnya Titanic pada pelayaran pertama (dan terakhir) pada pukul 2:20 dini hari pada 15 April 1912. Sebagian besar film ini bukan Old Rose yang menceritakan kisahnya, tetapi Young Rose yang benar-benar menghayati kisahnya.
Pada tanggal 10 April 1912, Rose muda menaiki kapal bernama Titanic bersama penumpang kelas atas, ibunya, Ruth DeWitt Bukater, dan tunangannya, Caledon 'Cal' Hockley. Sementara itu, seorang gelandangan dan seniman bernama Jack Dawson dan sahabatnya Fabrizio De Rossi memenangkan tiket kelas tiga ke kapal dalam sebuah permainan.
Setelah memenangkan perjalanan di RMS Titanic selama permainan kartu di tepi dermaga, Jack Dawson dari Amerika melihat gadis masyarakat Rose DeWitt Bukater yang sedang dalam perjalanan ke Philadelphia untuk menikahi tunangannya yang kaya raya, Cal Hockley. Rose merasa terjebak tanpa daya oleh situasinya dan berjalan ke dek buritan dan berpikir untuk bunuh diri sampai dia diselamatkan oleh Jack. Oleh karena itu, Cal berkewajiban mengundang Jack untuk makan di meja kelas satu mereka, di mana ia menderita karena penghinaan tuan rumah yang sombong. Sebagai imbalannya, dia mengajak Rose ke kelas tiga untuk menari di malam hari, memberinya waktu dalam hidupnya. Memutuskan untuk meninggalkan masa depan yang diinginkannya bersama-sama, Rose meminta Jack, yang telah mencari nafkah dengan membuat sketsa di jalanan Paris, untuk menggambarnya telanjang dengan mengenakan berlian biru yang tak ternilai yang diberikan Cal kepadanya. Cal mengetahuinya dan mengurung Jack. Tak lama setelah itu, kapal menabrak gunung es dan Rose harus menemukan Jack sementara keduanya harus lari dari Cal bahkan ketika kapal tenggelam lebih dalam ke air yang membeku.
Pada tahun 1996, pemburu harta karun Brock Lovett dan timnya telah mencapai kapal karam yang paling terkenal - RMS Titanic. Muncul dengan brankas yang diyakini berisi berlian terkenal yang disebut "Heart of the Ocean", ia menemukan bahwa brankas itu tidak menyimpan berlian, tetapi gambar seorang wanita muda cantik yang memakainya. Ketika Lovett kemudian diwawancarai di televisi, dia menunjukkan gambar itu ke kamera, dan Rose Dawson Calvert, yang sekarang berusia 101 tahun, mengenali wanita muda dalam gambar itu - dirinya sendiri. Dia dan cucunya, Lizzy, mengunjungi Lovett di kapal penelitiannya di atas lokasi bangkai kapal, dan menceritakan kisahnya tentang Titanic dan pelayaran perdananya yang naas.
Pada tahun 1912, Rose DeWitt Bukater, seorang gadis berusia 17 tahun, menaiki kapal kelas satu bersama tunangannya, pemilik taipan Pittsburgh Steel, Caledon Hockley, dan ibunya, Ruth DeWitt Bukater, di Southampton. Yang juga naik adalah seniman miskin Jack Dawson dan sahabatnya Fabrizio De Rossi, setelah permainan poker yang beruntung memenangkan mereka di kapal. Ketika Rose mencoba bunuh diri dengan melompat dari buritan di kelas tiga, Jack menariknya kembali ke kapal... dan sebuah ikatan terjalin di antara mereka saat Jack diundang olehnya ke kelas satu pada hari berikutnya. Ibu Rose dan Cal mencoba tindakan putus asa untuk memisahkan mereka saat Jack dan Rose jatuh cinta, sampai Titanic bertabrakan dengan gunung es dan rusak parah. Sekarang Jack dan Rose harus berjuang untuk tetap hidup, karena romansa mereka yang penuh gairah menjadi perjuangan untuk bertahan hidup, tetapi Jack akhirnya mati membeku karena menghabiskan terlalu banyak waktu di air yang sangat dingin.