五年可以发生很多事情：张曼玉与阿萨亚斯从恋爱到离婚，木村拓哉与工藤静香生了两个小Baby，王菲换了两个男朋友，章子怡从默默无闻到踏上国际影坛，王家卫导演终于也拍完了他的《2046》。
故事从《花样年华》的结局处讲起，梁朝伟扮演的作家周慕云作别苏丽珍，在新加坡又遇到了另一个也叫苏丽珍（巩俐扮演）的女人，这个女人是个职业“老千”，她在赌场帮周慕云渡过难关，彼此也产生感情，周慕云希望苏丽珍和他回到香港，遭到拒绝，在独自怅然返港之后，他在东方酒店的2046号房间，与的舞女Lulu（刘嘉玲扮演）发生了一夜情。
周慕云再次回到东方酒店时，Lulu早已不见踪迹，他决定在此住下来，继续小说创作。由于2046房间正在装修，他住在了隔壁的2047号房间。2046的房间装饰一新，周慕云却不愿再更换房间，于是老板把房间租给了另一个舞女白小姐（章子怡扮演），周慕云随即与章子怡产生了一段新感情。翻云覆雨之后周慕云始终逢场作戏，白小姐失意地离开了2046。
酒店老板有两个奇怪的女儿，“大女儿”（王菲扮演）有一个日本男朋友，他们的恋情遭到父亲的拒绝，“二女儿”（董洁扮演）性格早熟，主动追求周慕云未果。周慕云决定为大女儿写一部名为《2047》的小说，他口述文章请大女儿代为记录，在这个过程中周慕云发现自己竟然找到了真爱。
张震、木村拓哉、刘嘉玲、王菲和章子怡都以未来造型先后出现在周慕云的这部小说中，而木村演的那个人正是周慕云自己的化身。在小说中，周慕云寄托了和几个女人的情感，他在小说中写到，“你无法离开2046，除非有一天2046主动离开你……”
影片中的2046实则有双重含义，一方面它是东方酒店的一个房间号码，另一方面他是周慕云小说中的一个未知时空，成为“记忆”的象征符号。在以两维动画制作的影片起始和影片结尾，都做出了这样的解释：“很多人说有一列开往2046的列车，在那里可以去寻找记忆。但是没有人知道它是真是假，因为没有人能够从那里回来……”
王家卫在影片中安排了梁朝伟和四个女人的情感纠葛，其中与章子怡的故事最具完整性。片中章子怡扮演性格泼辣的风尘女子，角色冲突极大，她在遇到梁朝伟后产生真爱，但却遭对方逢场作戏伤心欲绝。美术指导张叔平为章子怡先后设计13套旗袍出镜，给人以冷艳绝伦的感觉，王家卫导演更是设计她与梁朝伟暴露床戏，章子怡全裸出镜，虽然镜头表现唯美含蓄，但其尺度远远突破她在《十面埋伏》中与金城武的花海激吻。
你无法离开2046，除非有一天2046主动离开你…… |
