O escritor Chow Mo-Wan (Tony Leung Chiu Wan) retorna a Hong Kong para escrever um romance. Ele se hospeda em um hotel barato em Wanchai, assumindo a personalidade de playboy e conquistador. Chow inicia uma série de relações amorosas com quatro diferentes mulheres que se hospedam no quarto 2046, que fica em frente ao seu.
Enquanto isso, atormentado pelas lembranças dos anos que passou em Singapura, Chow escreve uma história de ficção científica chamada "2046". Na história os passageiros de um trem fazem uma interminável viagem rumo a um destino misterioso, onde esperam reencontrar suas memórias perdidas.