기자이자 작가인 초우(양조위 분)는 수리첸(장만옥 분)과의 아픈 사랑의 기억으로 더 이상 아무도 사랑할 수 없게 되었다. 고급 콜걸인 바이 링(장쯔이 분)의 헌신적인 사랑을 외면하고, 사랑하는 남자와 헤어져 슬픔의 병을 앓게 된 호텔 주인의 딸 왕징웬(왕페이 분)에게 동질감을 느낀다. 떠났다가 돌아온 자신을 받아들이지 못하는 도박사 수리첸(공리 분)에 대한 안타까운 기억을 떠올리며 미래도시 2046에 대한 소설을 쓰는 초우. 그는 소설 속에서 또 다른 아픈 사랑에 대해서 이야기 한다. 소설속 사람들은 하나 같이 잃어버린 기억을 찾기 위해 2046으로 향하는 열차를 탄다. 2046으로 가는 열차 안에서 탁(기무라 다쿠야 분)은 안드로이드 wjw 1967(왕페이 분)을 만나 사랑에 빠진다. 그는 그녀에게 떠나자고 하지만 그녀는 아무 말도 하지 않는데…