1966年，从新加坡返回香港想忘掉过去的周慕云（梁朝伟饰）住进东方酒店的、同他曾经熟悉的数字2046只差一号的2047号房，开始了他的卖文生涯。眼前、曾经在他身边出现过的一个个女人（章子怡、王菲、张曼玉、刘嘉玲等饰）经过他大脑的过影后，令他对时空产生疑惑，不但忘不了过去，一幕幕往事反而更加挥之不去。为了与过去作更好的告别，他将生活的点点滴滴化为文字，写下小说《2046》（说只要搭上了前往2046的列车，人们就可以找回失去的记忆）。

故事的开始应该追朔到1995年的北京，林见东前往北京去读电影，他一心想挑战自己读电影导演系的野心，却惨遭滑铁卢。他的成绩只是平平，理想完全破灭。就在心灰意冷之际，他遇上了孙纳，当时，孙纳在一个歌舞团当洗烫工，却已雄心壮志，努力要成为一流的歌舞演员，同时她更身兼多职，赚钱养活湖南乡下的家人，对于只会伸开手掌问家人索取生活费的见东来说，孙纳顿时成为他祟拜的对象，鼓舞他重燃斗志。这一段情缘，本来可以有个美好的回忆，可是见东发现孙纳为了多赚一点钱，竟不择手段....