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）。
职业策划人夏至（小沈阳饰）信口开河编了一个关于绑架的故事，却误打误撞说中事实，于是招来犯罪团伙追杀，连他暗恋的餐吧老板娘印小雪（陈意涵饰）都被卷入其中，从而引发了一系列扑朔迷离而又妙趣横生的故事。
