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）。

一个男子（孙红雷饰）得知父亲去世的消息后回到家乡，年迈的母亲说起和父亲的往事。 30多年前，城市青年骆长余（郑昊饰）从师范学校毕业后自愿来到了三合屯当小学教师，方圆十几里出了名的美人招娣（章子怡饰）暗自喜欢上了他，从此少女的心便不再安宁。由于学校还未盖好，村里人给建学校的人送“公饭”，招娣换着样儿做好饭菜，特意用一个青瓷碗盛好送去，满心希望教师能吃上她做的饭菜。后来骆长余终于知道了青瓷碗，明白了姑娘的心事，二人由此迸出了爱情的火花。 学校建好了，听到教室里的念书声，招娣觉得那是有生以来最好听的声音。到后来，村里已经没有人再听了，只有招娣还听，一听就是四十多年……

现实中百般碰壁、只能在漫画中享受万人瞩目荣耀的漫画家苏菲（章子怡 饰），竟意外中了一个新加坡五日游大奖。在两位闺蜜李莉（姚晨 饰）和陆小夕（林心如 饰）的鼓励下，苏菲满怀期待飞赴新加坡。谁知刚出机场，她就遇到和幻想中的王子一模一样的帅哥严大卫（王力宏 饰）。大卫的真实身份是一名特工，此次为追查被窃钻石“幸运星”和神秘买家高先生（高捷 饰）来到新加坡。苏菲稀里糊涂混入私人派对，并阴差阳错拿到了装有“幸运星”的箱子，当然这也将她置身于连番的追杀和争夺战中。