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）。
故事讲述17世纪中期，丹麦国王弗雷德里克五世宣布日德兰岛的野生荒地应被驯化、耕种、殖民化，以便文明可以传播，为王室带来新税收。但没有人敢去这片荒蛮土地，直到名叫路德维格·卡伦的士兵站了出来。
在孔雀镇的铁路旁边，生活着一个有着灰暗过去的男子——约翰·斯基尔帕（希里安·墨菲 Cillian Murphy 饰），他自幼在母亲的淫威下长大，由此养成了压抑自闭的性格。在母亲去世后，约翰的人格分裂，其内心生出象征母性的女子埃玛。约翰就这样在男女两个身份间转换，过着平静而扭曲的隐蔽生活。某个清晨，灾祸突然降临。一个火车头脱轨闯入约翰家的院子，正在晾晒衣物的埃玛受到惊吓，并且出现在小镇人民的面前。人们对此议论纷纷，约翰则希望尽快将火车头清除院子，然而政客们却打算以此作为政治斗争的砝码。面对种种混乱的局面，约翰和埃玛的心中焦虑重重，他们的矛盾也渐次激化……
