1966年，離開香港的周慕云（梁朝偉飾）藏起了一個秘密，直到在新加坡遇到了蘇麗珍（鞏俐飾）。謎一般的蘇麗珍讓他想起了另一個身影，那個也叫蘇麗珍（張曼玉飾）的女人在他心里一直是一個沒有人知識的過去。周慕云的眼光跟隨著蘇麗珍穿梭在賭場里，她拯救周慕云的沉溺，卻不愿跟著周慕云離開。
獨自回到香港的周慕云，在平安夜巧遇了舊識LULU（劉嘉玲飾），然而LULU卻對往事毫不記憶。LULU想不壚周慕云的那段過去，周慕云卻在LULU居住的酒店里發(fā)現(xiàn)了一組似曾相識的數(shù)字：2046。2046號房曾經(jīng)充滿了周慕云和蘇麗珍的回憶。如今只剩下LULU與男友CC（張震飾）愛恨交織的痕跡。
周慕云于是搬進了2047號房間，知道了酒店老板兩個女兒王潔雯（董潔飾）與王靜雯（王菲飾）各有心事，潔雯情竇初開，靜雯與日籍男友的感情不被允許。此時新房客白玲（章子怡飾）住了進來，白玲一身風塵，撩撥起周慕云不費吹灰之力，然而當她動了真情，才發(fā)現(xiàn)周慕云早已封鎖了內(nèi)心。
于是周慕云開始動筆撰寫一部名為《2046》的小說，小說中只要搭上了前往2046的列車，人們就可以找回失去的記憶。沒有人想離開2046，除了一個名叫TAK（木村拓哉飾）的男子。熱戀中的靜雯不會知道，故事里她化生的冰冷機器人，曾經(jīng)帶給了TAK最渴求的溫暖，她的存在是TAK記憶里最大的秘密。
一直到公元2046年，那班神秘列車依舊家期開往2046……
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