Im Jahr 1996 ist der Schatzsucher Brock Lovett mit einem Team des russischen Forschungsschiffes Keldysch im Nordatlantik auf der Suche nach dem verschollenen Diamantcollier „Herz des Ozeans“, das sich angeblich an Bord der legendären Titanic befinden und aus dem Schatz Ludwigs XVI. stammen soll. Dem Team gelingt es, aus einer Millionärssuite einen Safe zu bergen. Brock sieht Ruhm und Reichtum schon vor seinem geistigen Auge, doch anstelle des Diamanten befindet sich darin lediglich eine auf den 14. April 1912 datierte Aktzeichnung einer jungen Frau, die das besagte Schmuckstück trägt. In einem Fernsehbericht erfährt die 100-jährige Rose Calvert von dem Fund. Sie nimmt sofort Kontakt mit den Schatzsuchern auf und behauptet, die abgebildete Frau zu sein. Brocks Vertrauter Lewis Bodine traut ihr nicht, weil sie in den 20er-Jahren unter dem Namen „Rose Dawson“ als Schauspielerin tätig war. Sein Misstrauen wird dadurch verstärkt, dass Rose DeWitt Bukater, für die sich Rose Calvert ausgibt, offiziell mit 17 Jahren beim Untergang der Titanic ums Leben gekommen ist. Weil für das Team die Zeit drängt, da die Geldgeber mangels Erfolg der Expedition damit drohen, ihre Investitionen einzustellen, beschließen sie, die alte Dame und ihre Enkelin Lizzy einfliegen zu lassen.
Um letzte Zweifel aus der Welt zu schaffen, stellen die Schatzsucher Rose auf die Probe. Sie erzählen ihr von einer Schadensersatzforderung bezüglich des Colliers, die unter strengster Diskretion kurze Zeit nach dem Unglück beglichen wurde. Nachdem Rose den Namen des Antragstellers, Nathan Hockley, nennen konnte und zudem einige Fundstücke aus der Suite identifiziert, laden die Schatzsucher sie zu einer virtuellen Reise zurück auf die Titanic ein. Nach der Präsentation einiger Videoaufzeichnungen des Wracks und einer Animation des Untergangs erzählt Rose ihre Geschichte:
Mittwoch, 10. April 1912, Hafen von Southampton: Die Titanic, ein Luxusliner der White Star Line, ist kurz davor, zu ihrer Jungfernfahrt nach New York auszulaufen. Mit an Bord gehen die 17-jährige Rose DeWitt Bukater und ihre verwitwete Mutter Ruth, die der Oberschicht Philadelphias angehören, sowie Roses vermögender Verlobter Caledon „Cal“ Hockley, der Sohn eines Pittsburgher Stahl-Tycoons. Kurz vor der Abfahrt gewinnt zudem der in ärmlichen Verhältnissen lebende Künstler Jack Dawson aus Chippewa Falls für sich und seinen italienischen Freund Fabrizio de Rossi beim Pokerspiel zwei Dritte-Klasse-Tickets.
Unglücklich über die von ihrer Mutter eingefädelte Verlobung mit Cal und frustriert über ihre eigene Rolle in der Gesellschaft versucht Rose am Abend des 12. April, an Bord des Schiffes Suizid zu begehen, wofür sie am Heck der Titanic über die Reling klettert. Jack, der sie dabei beobachtet hat, kann sie jedoch nach kurzer Zeit überzeugen, wieder an Bord zu klettern. Rose rutscht dabei jedoch ab, Jack schafft es gerade noch rechtzeitig, sie zu packen und zurück über die Reling zu ziehen. Als Dank für die Rettung seiner Verlobten lädt Cal Jack für den nächsten Abend zum Dinner in der ersten Klasse ein.
Am nächsten Tag, Samstag, dem 13. April 1912, lernen sich Rose und Jack bei einem Spaziergang an Oberdeck näher kennen. Rose entdeckt Jacks künstlerische Begabung und vertraut ihm an, aus ihrer Rolle in der wohlhabenden Gesellschaft am liebsten ausbrechen zu wollen. Bei einer Begegnung mit Ruth und Molly Brown zeigt Ruth sich gegenüber Jack voreingenommen, weil sie in der neuen Bekanntschaft ihrer Tochter eine Gefahr für ihre Pläne sieht – anders als die warmherzige Molly, die Jack für das anstehende Dinner die Abendbekleidung ihres Sohnes ausleiht. Ruth schafft es beim Dinner nicht, Jack durch ihre herablassenden Bemerkungen unterzubuttern, vielmehr ist er es, der durch seine lebensbejahende Einstellung die Sympathien der Abendgesellschaft für sich verbuchen kann. Nach dem Essen verabschiedet er sich von Rose und steckt ihr heimlich eine Einladung zu einer Party in der dritten Klasse zu, die Rose annimmt. Der ausgelassene Ausflug, bei dem Rose sichtlich aus sich herausgehen kann, bleibt nicht unbemerkt: Cal hatte seinen Handlanger Spicer Lovejoy angewiesen, seiner Verlobten nachzuspionieren.
Am Morgen des 14. April konfrontiert Cal Rose mit ihrer Party in der dritten Klasse. Cals Wut bricht offen aus ihm heraus, und auch Ruth gibt ihrer Tochter deutlich zu verstehen, dass ihre wirtschaftliche und soziale Stellung von der Heirat mit Cal abhängt, weil Roses Vater der Familie nur Schulden hinterlassen hat. Anschließend führt Thomas Andrews Rose, Cal und Ruth durch verschiedene Teile des Schiffes. Rose bemerkt die mangelnde Anzahl der Rettungsboote, während Andrews daraufhin nur erwidert, er sei bei dem Versuch, mehr Rettungsboote anzuschaffen, aus ästhetischen Gründen überstimmt worden. Als Jack sie kurz darauf in einem unbeachteten Moment abpasst, weist Rose ihn wegen der Auseinandersetzung mit Cal und des Gesprächs mit ihrer Mutter zunächst zurück.
Am Nachmittag beobachtet sie ein kleines Mädchen. Es wird bei Tisch von seiner Mutter angewiesen, sich richtig zu setzen. Sie erkennt metaphorisch, wie fremdbestimmt sie lebt, und entscheidet sich doch für Jack. Als sie ihn am Bug des Passagierdampfers findet und er sie über die See „fliegen“ lässt, küssen die beiden sich zum ersten Mal. In Roses Suite fertigt Jack anschließend die Aktzeichnung an, auf der Rose das Herz des Ozeans trägt. Rose legt sie zusammen mit einer verhöhnenden Nachricht an Cal in den Safe, den Lovett später aus dem Wrack bergen wird. Jacks Aufenthalt in der Suite bleibt Lovejoy allerdings nicht verborgen. Bei der anschließenden Verfolgung finden Jack und Rose in einem der Kesselräume Zuflucht und gelangen in einen Frachtraum, wo sie sich in einem Auto ihrer Leidenschaft hingeben. Unterdessen läuft die Titanic mit hoher Geschwindigkeit durch ein Eisfeld: Als die beiden wieder an Oberdeck sind, beobachten sie gegen 23:40 Uhr die Kollision.
Als Rose und Jack den Ernst der Lage erkennen, kehren sie in die Suite zurück, um Ruth und Cal von der Kollision zu unterrichten. Dabei wird Jack Opfer einer Hinterlist: Nachdem Cal die Zeichnung und die Nachricht seiner Verlobten entdeckt hatte, beauftragte er Lovejoy, Jack das Diamantcollier unterzujubeln. Dieser wird als Dieb gefasst, Rose bleibt verloren zurück. Während die ersten Rettungsboote gefiert werden, spitzt sich Jacks Lage zu, als er eingeschlossen in seinem Arrest unter Deck verharrt und das Schiff langsam über den Bug sinkt. Rose, die nicht mehr an Jacks Diebstahl glaubt und sich weigert, mit ihrer Mutter und Molly von Bord zu gehen, sucht nach Thomas Andrews und erfährt von ihm, wo Jack wahrscheinlich festgehalten wird. Sie schafft es, ihn zu befreien, doch die beiden befinden sich im Gängelabyrinth der dritten Klasse, und die Besatzung wurde angewiesen, die dortigen Passagiere in Schach zu halten. Zusammen mit Tommy Ryan, einem irischen Bekannten von Jack und Fabrizio, entkommen sie aus ihrer Bedrängnis.
Derweil setzt Cal an Deck alles daran, mit dem Ersten Offizier William Murdoch ins Geschäft zu kommen, da dieser auch Männer in die Rettungsboote einsteigen lässt. Während er sich von Lovejoy anhören muss, dass Rose mit Jack auf der anderen Schiffsseite auf ein Rettungsboot wartet, schummelt sich Bruce Ismay, Direktor der White Star Line, von Bord. Als Rose von Cals Vereinbarung mit Murdoch erfährt, durch die angeblich auch Jack gerettet wird, steigt sie ein. Die junge Frau erträgt es aber nicht, von Jack getrennt zu sein, und springt aus dem Rettungsboot zurück auf das sinkende Schiff. Cal wird klar, dass Rose nicht ihn liebt, sondern Jack. Wutentbrannt schießt er auf die beiden, die nun zurück unter das bereits überflutete Deck fliehen müssen.
Da die wenigen verfügbaren Rettungsboote inzwischen beinahe alle abgelegt haben und die Lage zu eskalieren droht, setzen die Offiziere mittlerweile auch Waffen ein, um eine gewisse Ordnung aufrechtzuerhalten. Als Murdoch auf seine Warnung hin einen Mann erschießt, der versuchte, in eines der Boote zu gelangen, und auch eine tödliche Kugel auf Tommy abfeuert, der von einem Hintermann nach vorne gestoßen wurde, richtet er sich selbst. Cal entdeckt ein verlassenes Mädchen und nutzt durch dieses seine letzte Chance, ein Rettungsboot zu besteigen.
Jack und Rose kämpfen sich bis zum Heck der Titanic durch, um möglichst lange auf dem Schiff bleiben zu können. Fabrizio wird vom ersten Schornstein des Schiffs erschlagen. Durch die zunehmende Steillage des Schiffes kann der Rumpf des Schiffes der Belastung nicht mehr standhalten und bricht auf Höhe des dritten Schornsteins. Mit einem Mal liegt alles in völliger Dunkelheit. Vom Sog des sinkenden Hecks kurze Zeit unter Wasser gezogen, schaffen es Jack und Rose zurück an die Wasseroberfläche und finden sich inmitten hunderter anderer wieder, die im eiskalten Nordatlantik um ihr Leben kämpfen. Die beiden finden ein hölzernes Trümmerteil. Dieses kann jedoch nur Rose tragen; Jack bleibt im Eiswasser hängend zurück, nimmt ihr aber noch das Versprechen ab, die Katastrophe zu überleben und erst nach einem langen Dasein zu sterben.
Die Insassen der in nächster Nähe treibenden Rettungsboote unternehmen derweil nichts, um die Menschen aus dem Wasser zu retten – sie befürchten zu kentern, wenn zu viele Menschen gleichzeitig versuchen an Bord zu kommen. Einzig der Fünfte Offizier Harold Lowe macht sich mit einer kleinen Gruppe in einem Boot auf den Weg zurück. Schnell ist klar, dass die große Mehrzahl der Menschen im Meer der Kälte zum Opfer gefallen ist. Um unter den gerade einmal sechs Personen zu sein, die aus dem Eiswasser gerettet werden können, muss Rose zunächst den Untergang des leblosen Jack verkraften und durch die Trillerpfeife des Leitenden Offiziers Henry T. Wilde auf sich aufmerksam machen. An Bord des Passagierschiffes Carpathia, das die rund 700 Überlebenden in den Morgenstunden des 15. April 1912 aufgenommen hat, kann die Geborgene eine Begegnung mit Cal gerade noch verhindern. Dort gibt sie sich als „Rose Dawson“ aus, um einerseits weiterhin mit Jack verbunden zu sein und sich andererseits ihrer Vergangenheit und dem Einfluss von Cal und Ruth zu entziehen.
Zurück in der Gegenwart beendet Rose ihre Erzählung und gibt zu, bisher keinem, nicht einmal ihrem Ehemann, von ihren Erlebnissen erzählt zu haben. Brock gibt seine Suche nach Reichtum auf und öffnet sich Lizzy: Er bereut es, bei der dreijährigen Suche nach dem Diamantcollier die Titanic selbst vollkommen aus den Augen verloren zu haben. In der Nacht begibt sich Rose unbemerkt an die Reling der Keldysh. Wie sich herausstellt, ist das Herz des Ozeans noch immer in ihrem Besitz. Es war in dem Mantel, den Cal ihr vor ihrem Einstieg ins Rettungsboot umgelegt hatte. Nun wirft sie das Collier in die See.
Der Film endet damit, dass Rose regungslos in ihrem Kojenbett liegt. Auf dem Nachttisch sieht man Fotos, die ihr erfülltes, langes Leben dokumentieren – sie hat ihr Versprechen gehalten. In einer Schlusssequenz schreitet Rose als junge Frau wie zu Beginn ihrer Reise durch die Korridore der Titanic, wird im großen Treppenhaus der ersten Klasse von beim Untergang ums Leben gekommenen Passagieren aller Klassen und Crewmitgliedern begrüßt, und trifft auf der Treppe auf Jack, als hätte er die ganze Zeit auf sie gewartet. Als die beiden sich küssen, brandet Applaus auf.