In 1996 is de expeditie van Brock Lovett op zoek naar the Heart of the Ocean, een kostbare diamant die volgens de geruchten met de Titanic gezonken is. Met twee duikboten gaan ze naar het wrak dat op 3810 meter diepte ligt. In het wrak vinden ze een kluis. Ze denken dat de diamant daarin zou kunnen liggen, maar in plaats van de diamant vinden ze een tekening van een naakte vrouw die alleen de diamant draagt. Wanneer CNN deze tekening op de televisie toont, herkent een vrouw zichzelf. Haar naam is Rose Calvert en samen met haar kleindochter Lizzy Calvert gaat ze naar de Keldish, het schip waarmee de expeditie plaatsvindt. Daar vertelt ze over haar belevenissen op de Titanic.
Haar naam was destijds nog Rose DeWitt Bukater, en samen met haar moeder, Ruth DeWitt Bukater en haar verloofde Caledon Hockley vertrok ze op 10 april 1912 met de Titanic naar de Verenigde Staten. Rose's geplande huwelijk met Hockley is gearrangeerd: de DeWitt Buckaters zijn een voorname maar verarmde familie, die hoopt op deze manier het tij te keren. Naar de mening van Rose wordt niet gevraagd. Rose ziet er huizenhoog tegen op een leven te moeten leiden dat door anderen bepaald wordt: eerst door haar moeder en binnenkort door een man aan wie ze eigenlijk een hekel heeft.
De arme zwerver Jack Dawson en zijn vriend Fabrizio de Rossi zijn ook aan boord, na de tickets met een spelletje poker gewonnen te hebben. Aan boord ontmoeten Rose en Jack elkaar wanneer Rose ten einde raad zelfmoord wil plegen, en Jack dit weet te verhinderen. Door Jack wordt ze een heel ander persoon: in plaats van alles netjes te doen, bedenkt ze voor zichzelf dat ze ook lol kan hebben. Ze worden verliefd en Rose besluit haar verloofde voor Jack te verlaten. Hockley begint het een en ander te vermoeden, en stuurt zijn lijfknecht Lovejoy erop uit om Rose terug te vinden. De twee weten de lijfknecht af te schudden door zich in een auto te verstoppen, en bedrijven daar de liefde met elkaar.
Dezelfde nacht, 14 april 1912, vaart de Titanic tegen een ijsberg aan. Aangezien er te weinig reddingssloepen aan boord zijn, kan slechts de helft van de mensen op het schip gered worden, maar de bemanning stopt ook te weinig mensen in de reddingsboten. Rose en Jack willen de mensen hiervoor waarschuwen maar bij hun terugkeer beschuldigt Hockley Jack valselijk van diefstal en laat Lovejoy hem in het ruim opsluiten, terwijl de dames op evacuatie wachten. Lovejoy ketent Jack vast aan een pijp en laat hem achter wanneer duidelijk wordt dat de Titanic inderdaad zal zinken. Rose vlucht het ruim in en weet Jack op het nippertje te redden.
Boven probeert Hockley Rose te overtuigen in een reddingsboot te stappen onder de smoes dat hij al een andere boot voor hemzelf, Lovejoy en Jack heeft geregeld. Jack, wetende dat Hockley liegt, speelt het spelletje mee in de hoop dat Rose in de boot stapt. Uiteindelijk springt Rose toch uit de sloep op een lager scheepsdek, waarop Jack naar haar toe rent. Hockley probeert Jack dood te schieten maar is te langzaam, waarna hij eieren voor zijn geld kiest en zichzelf aan boord van een sloep weet te bluffen.
Op een gegeven moment gaat de boeg ten onder en moeten Rose en Jack wel naar het achterschip gaan. De lichten vallen uit, en snel daarna breekt het schip doormidden. Kort daarna zinkt ook de achtersteven. In twee uur en 40 minuten na de aanvaring gaat de Titanic ten onder, met 1502 mensen die in het water terechtkomen.
Rose en Jack wachten samen met de anderen in het ijskoude water tot de reddingsboten terugkomen. In de tussentijd moet Rose van Jack beloven dat ze zal doorzetten, hoe zwaar het leven ook is. Rose belooft het. Tot haar grote verdriet sterft Jack doordat hij onderkoeld raakt in het koude zeewater. Dan zegt ze: 'Ik zal nooit loslaten!' en maakt Jacks hand los van het vlot. Na een lange tijd komt er toch een sloep, deze kan slechts 6 mensen uit het ijskoude water redden.... ze hadden te lang gewacht. Even later wordt Rose meegenomen door de reddingsloep en samen met de andere overlevenden van de ramp aan boord van het schip Carpathia gebracht. Ook Hockley heeft de ramp overleefd, maar Rose weet hem te ontlopen. Als ze in New York aankomt, en ze ziet het Vrijheidsbeeld hoopt ze eigenlijk dat Jack er ook zou zijn. In plaats daarvan eert ze hem doordat ze zegt dat haar naam Rose Dawson is. Tevens grijpt ze, nu haar familie denkt dat ze is gestorven bij de ramp, de kans aan om eindelijk het leven te gaan leiden dat ze altijd al wilde hebben. Hockley pleegt later, tijdens de beurscrash, zelfmoord.
Na dit verhaal beseft Brock Lovett dat de Titanic meer is dan een stuk ijzer, en kijkt hij heel anders naar de Titanic die al die levens eiste. Het blijkt dat Rose de Heart of the Ocean toch in haar bezit heeft. Ze gooit hem echter overboord, als laatste eerbewijs aan Jack. Die nacht sterft ze, en keert ze terug naar de Titanic om af te maken waar ze aan begonnen was. Op het schip ziet ze Jack en ook de andere slachtoffers van de ramp. Hij vraagt haar ten huwelijk en ze kussen vervolgens.
