1966年，离开香港的周慕云藏起了一个秘密，直到在新加坡遇见了苏丽珍。谜一般的苏丽珍使他想到了另一个身影，那个也叫苏丽珍的女人在他心中始终是一个没有人知道的过去。周慕云的目光跟随着苏丽珍穿梭在赌场里，她挽救周慕云的沉溺，却不愿跟着他离开。独自返回香港的周慕云，在平安夜偶遇旧识LuLu，然而LuLu却对过去的往事毫无记忆。LuLu记不起和周慕云的那段过去，周慕云却在LuLu居住的酒店里看到了1组素昧平生的数字：2046。2046号房当初充满了周慕云和苏丽珍的回忆，现今只剩下LuLu与男友CC爱恨交叉的痕迹。
周慕云因此住进了2047号房间，知道酒店老板的两个女儿王洁雯与王静雯各有心事，洁雯情窦初开，静雯与日籍男友的感情不被准许。这时新房客白玲住了进来，白玲满身风尘，撩拨起周慕云不费吹灰之力，然而当她动了真情，才发觉周慕云早就封锁了内心。因此周慕云开始动笔撰写一部名叫《2046》的小说，小说中只要搭上了前去2046的列车，人们就能够找回失去的记忆。没有人想离开2046，除了一个名叫Tak的男子。热恋中的静雯不会知道，故事里她化生的冰冷机器人，当初带给Tak最渴望的温暖，她的存在是Tak记忆里最大的秘密。一向到公元2046年，那班神秘列车依旧定期开往2046。
