1966 verlässt Chow Mo-wan (Tony Leung) Singapur und reist zurück nach Hongkong, wo er sich im Hotel „Oriental“ einquartiert. Weil das von ihm gewünschte Zimmer 2046 gerade renoviert wird, bietet ihm der Hotelier, Herr Wang (Wang Sum), fürs Erste das Zimmer 2047 an.

Chow schreibt an einem Science-Fiction-Roman mit dem Titel „2046“, der von einer Zeitreise per Eisenbahn ins Jahr 2046 handelt: In einem der Zugabteile befinden sich der Japaner Tak (Takuya Kimura) und ein bildhübscher weiblicher Androide (Faye Wong). Tak, der sich unsterblich in den Androiden verliebt, versucht vergeblich, ihn zu überreden, mit ihm gemeinsam auszusteigen.

Obwohl Chow glaubt, über die Zukunft zu schreiben, beschäftigt er sich in Wirklichkeit mit der Erinnerung an seine eigene unerfüllte große Liebe zu Su Li-zhen (Maggie Chung). Ihretwegen hatte er Hongkong vor einigen Jahren verlassen, aber er kann sie nicht vergessen. In Singapur traf er eine andere schöne Frau, die zufällig auch Su Li-zhen (Gong Li) hieß, aber aus Pnom Penh stammte. Die geheimnisvolle, stets schwarz gekleidete und einen schwarzen Handschuh tragende Spielerin erlöste ihn von seinen Spielschulden und verschaffte ihm das Geld für die Rückfahrt nach Hongkong.

In der Nachtklub-Tänzerin Mimi (Carina Lau) erkennt er eine Frau wieder, mit der er in Singapur zusammen war. Damals nannte sie sich Lulu. Chow besorgte ihr das Geld für die Fahrkarte nach Hongkong, aber Lulu alias Mimi tut so, als kenne sie ihn nicht.

Durch die dünne Wand des Hotelzimmers hört er Wang Jin Wen (Faye Wong), die ältere Tochter des Hoteliers, die Tanzschritte übt und dazu Selbstgesprüche in japanischer Sprache führt. Jin Wen ist nämlich in einen Japaner (Takuya Kimura) verliebt. Allerdings will ihr Vater nicht, dass sie ausgerechnet mit einem Japaner herummacht, und weil sie sich an das väterliche Verbot hält, trennt ihr Freund sich von ihr und kehrt in seine Heimat zurück. Während Jin Wen erkrankt und für einige Zeit in eine Klinik muss, läuft ihre jüngere Schwester Jie Wen (Jie Dong) ihrem allein erziehenden Vater davon.

Um vor Herrn Wang zu verheimlichen, dass dessen ältere Tochter Briefe mit ihrem japanischen Verehrer wechselt, lässt Chow die Briefe des Japaners an sich adressieren und gibt sie Jin Wen weiter. Sie hilft ihm dafür wie eine Sekretärin beim Schreiben des nächsten Romans, der den Titel „2047“ trägt.

Zu seiner Überraschung erfährt Chow eines Tages, dass Herr Wang vorhat, zur Hochzeit von Jin Wen nach Japan zu reisen und das Hotel während seiner Abwesenheit seiner inzwischen zurückgekehrten jüngeren Tochter anzuvertrauen.

Als Chow und die attraktive Demi-Monde-Dame Bai Ling (Zhang Ziyi) sich im Hotel „Oriental“ begegnen, verlieben sie sich, aber sie gestehen sich ihre Gefühle nicht ein, sondern tun so, als handele es sich um eine ausschließlich sexuelle Beziehung, etwa indem Chow nach jeder Liebesnacht Geld bezahlt. Es ist ein Spiel mit dem Wechsel zwischen Hingabe und Zurückweisung. Als Bai Ling verspricht, sie werde keine Männer mehr ins Hotel mitbringen und Chow bittet, sich zumindest in seinem Zimmer mit keinen anderen Frauen mehr zu treffen, lehnt dieser ihr Ansinnen ab. Schließlich verlangt Bei Ling von einem reichen Freier 5000 Dollar und bietet das Geld dann Chow für eine letzte Liebesnacht an, aber er weist sie brüsk zurück – und hört nie wieder von ihr.