周慕雲(梁朝偉飾)是個言情小說作家,他執菸埋首,寫著一部關於2046的小說,故事裡有部神祕列車,Tak(木村拓哉飾)希望乘車去找回一段失去的愛…
現實生活裡周慕雲遊戲人生,新加坡忍痛揮別了蘇麗珍(鞏俐飾)後,返港的他與露露(劉嘉玲飾)舊識重逢,但她對周已全無記憶,只沈醉在與新男友CC(張震飾)之間纏綿的戀事…
緊鄰重整的2046號房,周住進旅店,因而結識與日籍男友苦戀的房東女兒王靜雯(王菲飾),似曾相識的記憶讓周決意幫助靜雯,暗渡一段不被允許的愛情…
直到2046號房住進新房客白玲(章子怡飾),丰姿百媚的她成了周的獵物。當白玲付出了真情感,周卻揮揮衣袖。原來,周的內心早已封鎖在2046,在他小說裡,有部神祕列車,能讓人找回失去的記憶…
周慕雲寫著的未來,實際上是關於過去…好比熱戀中的靜雯不知道,在周筆下的她是冰冷的列車服務機器人,曾經Tak在她耳邊傾吐,故事是他們之間的祕密,一直穿越了時間…
直到西元2046年,這班列車依指定日期前往2046,Tak搭上了列車,因為在2046裡所有美好的事物都保持原狀,永遠不會改變…