Attention ; ce qui suit dévoile des éléments importants de l'intrigue.
Le 10 avril 1912, à Southampton, le Titanic est sur le point de partir. Les passagers embarquent et Rose, alors âgée de 17 ans, pénètrent dans le navire avec sa mère, son fiancé, Caledon Hockley, que tout le monde appelle Cal, et tous leurs domestiques : car Rose provient d'une famille riche, ce qui leur permet d'entrer dans le Titanic en Première Classe.
Pendant ce temps, Jack Dawson et son ami Fabrizio jouent au poker avec deux autres personnes : les gagnants pourront partir à bord du Titanic. Jack gagne et entre dans le Titanic au moment où celui-ci part et s'installe en Troisième Classe. Le Titanic s'éloigne des côtes de l'Angleterre.
Rose et Jack ne se croisent pas sur le paquebot : en effet, les Premières Classes, dans leurs riches appartements, ne partagent rien avec les Troisièmes Classes, les pauvres. Rose, pourtant au milieu du luxe, ne supporte plus sa vie : elle en a marre de parader, d'être bien élevée, et de devoir en plus épouser Cal, qu'elle n'aime pas. Jack, quant à lui, profite de la vie et se rend à l'avant du navire, pour prononcer la phrase culte du film : « Je suis le maître du monde ! ». Le navire est magnifique et fonce en direction de l'Amérique. Mais les passagers ignorent que le Titanic ne verra jamais les Etats-Unis.
Rose décide d'en finir : elle se rend à l'arrière du navire et passe la barrière. Jack, alors en train de regarder les étoiles, la voit et l'empêche de sauter. Mais Rose, en robe, glisse, et ses cris alertent les vigiles. Jack réussit à sauver Rose, mais lorsque les vigiles arrivent, ceux-ci sont persuadés que Jack agressait Rose. Rose défend son sauveur et Cal, arrivé sur les lieux, récompense Jack en l'invitant à dîner parmi les Premières Classes.
Jack et Rose commencent à faire connaissance. Ils s'entendent bien, malgré qu'ils proviennent de mondes différents. Lorsque vient l'heure du dîner, Jack est arrêté par Margaret Brown, dite Molly, une Première Classe sympathique qui n'est pas encore très bien acceptée par les riches, car elle ne l'est que depuis peu : Jack comptait se rendre au dîner habillé simplement, ce qui serait le meilleur moyen de se ridiculiser, et Molly lui prête un smoking. Jack retrouve Rose, bien habillé, ce qui surprend la jeune femme. Le dîner se déroule très bien, et les hôtes, surpris par Jack et sa sincérité (il précise clairement qu'il déteste le caviar), l'apprécient tout de même. Après le repas, Jack retrouve Rose et lui propose de se rendre dans une vraie fête : celle des Troisièmes Classes. Fini la politesse, fini l'accompagnement musical au piano, là, on danse, on boit et on se bouscule dans une véritable cacophonie. Rose s'y amuse comme une folle mais elle est surprise par le majordome de Cal.
Le lendemain matin, Cal se fâche sur Rose : comment sa future femme ose-t-elle traîner avec un pauvre comme Jack ? De plus, la mère de Rose lui dit que son mariage avec Cal permettrait à sa famille de redevenir riche : en effet, le père de Rose n'a plus un sou et Cal est très riche. Rose finit par accepter de se sacrifier pour sa famille. Jack tente de retrouver Rose : il l'aperçoit lors d'une marche avec Thomas Andrews, le concepteur du Titanic, qui lui explique qu'il manque la moitié des canots de sauvetage. Jack attrape Rose et lui parle en tête-à-tête : celle-ci ne veut plus le voir. Plus tard, elle change d'avis et le retrouve à l'avant du navire. Ils s'y embrassent, tandis que le soleil se couche : pour le Titanic et la plus grande partie des passagers, c'est la dernière fois qu'ils voient la lumière du jour.
Mais Jack et Rose profitent de la vie : Rose demande à Jack de la dessiner nue en portant le diamant que Cal lui a offert. Ce qu'il fait. Le dessin terminé, Jack le range dans un coffre-fort. Les deux amants font le tour du bateau et se retrouvent dans une voiture, dans laquelle ils font l'amour. Pendant ce temps, Cal, inquiet de la disparition de Rose, retrouve le dessin.
Jack et Rose sortent des profondeurs du navire et assistent au début de la fin du Titanic : un iceberg se retrouve sur la trajectoire du paquebot. Les vigiles tentent de prévenir la barre mais le Titanic va trop vite et le gouvernail ne permet pas de tourner assez vite. La collision est inévitable et la glace entaille la coque. Un conseil d'urgence est organisé entre l'équipage du Titanic : Thomas Andrews estime que le navire ne tiendra pas plus de deux heures. Un SOS est envoyé aux bateaux voisins : le plus proche n'arrivera pas avant quatre heures. Mais le Titanic n'a pas assez de canots de sauvetage, la moitié des passagers sont condamnés. Il faut organiser l'évacuation et éviter la panique.
Jack et Rose, quant à eux, tentent de prévenir Cal de ce qu'il vient de se passer. Lui s'en fiche, ce qu'il veut, c'est retrouver le diamant qui lui aurait été volé. Il le retrouve dans le manteau de Jack. Jack est arrêté pour vol et enfermé dans les profondeurs du navire. En réalité, Jack n'a jamais volé le diamant : celui-ci a été placé dans le manteau par Lovejoy, le majordome de Cal, afin d'éloigner le jeune homme, devenu gênant pour l'union de Rose et Cal. L'évacuation commence à se faire, mais pour commencer, seuls les femmes et les enfants ont le droit de monter à bord des canots. Rose est sensée suivre sa mère. Cependant, elle refuse d'évacuer le navire et tente de retrouver Jack. Elle y arrive et le libère, alors que l'eau commençait déjà à monter dans la pièce où il était prisonnier.
Ils retournent près des canots et Jack fait monter Rose sur un canot. Mais Rose ne veut pas s'échapper et laisser Jack sur le Titanic, car elle sait qu'il y a beaucoup de chances qu'il n'y ait plus aucun canot pour lui. Elle saute du canot et retrouve Jack. Cal, enragé de voir Rose éprouver une telle affection pour Jack, s'empare du pistolet de Lovejoy et tire sur les deux amants, qui ne peuvent plus que retourner dans le dédale du paquebot déjà en partie inondé. Ils manquent de se noyer mais réussissent à remonter sur le pont du Titanic.
Le paquebot vit ses dernières minutes. La panique est immense et le paquebot coule par l'avant dans les profondeurs de l'océan. Les cheminées se mettent à tomber et le pont, à cause de l'inclinaison, devient une pente mortelle. Finalement, le navire se brise en deux. Jack et Rose, à l'arrière du navire, s'installent de l'autre côté de la balustrade : Rose fait remarquer que c'est là qu'ils se sont rencontrés. La partie avant du navire, n'étant pas entièrement détachée de l'autre, coule, et emporte la partie arrière, qui finit par flotter verticalement. La dernière partie du paquebot finit par couler. L'entièreté du Titanic était désormais en train de sombrer dans les abysses de l'océan.
Jack et Rose, aspiré par le Titanic, finissent par sortir la tête de l'eau. Le spectacle est effrayant : des centaines de passagers sont en train de hurler à l'aide au beau milieu de l'océan. Jack et Rose trouvent un débris du Titanic : l'eau étant glaciale, le seul moyen de survivre est de monter dessus. Mais le couple est trop lourd : Jack se sacrifie pour laisser Rose y monter seule. La panique commence à disparaître et le silence s'installe. Lorsque les canots de sauvetage arrivent, Rose tente de réveiller Jack, mais il est trop tard : il est mort de froid. Elle l'embrasse une dernière fois et le laisse couler dans les profondeurs de l'océan. Impossible de crier à cause du froid, elle s'empare du sifflet d'un mort à proximité et appelle ainsi les canots.
Lors du recensement des survivants, Rose ment sur son identité : elle prétend être Rose Dawson, au lieu de Rose DeWitt Bukater. Elle évite de se faire voir par Cal et arrive saine et sauve à New York.
Rose ouvre les yeux : cela fait 84 ans que tout cela a eu lieu et elle avoue à Lovett que c'est la première fois qu'elle parle de Jack à quelqu'un. Au final, Lovett n'aura pas eu ce qu'il veut : le diamant. Rose, quant à elle, sort sur le pont du navire. Elle sort le diamant de sa poche : elle l'avait dans la poche de son manteau au moment du naufrage. Elle jette le diamant dans l'eau, qui sombre pour retrouver le Titanic.
Les rêves de Rose la ramènent sur le Titanic : les passagers et l'équipage l'attendent dans le Grand Escalier et la salue. Au pied de l'horloge se trouve Jack. Ils s'embrassent et tout le monde applaudit…