籌畫多年，拍拍又停停，停停又拍拍，歷經五年，香港導演王家衛終於完成了這部作品，本片囊括了亞洲一時之選的大牌明星：梁朝偉、王菲、木村拓哉、鞏俐、張曼玉、章子怡、劉嘉玲及張震。本片亦為 2004 年坎城影展參展作品。

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…...