Dans une Amérique profondément sauvage ? le territoire septentrional de la Louisiane achetée à la France en 1803, aujourd'hui entre autres les États de Dakota du Nord et Dakota du Sud ? un groupe de trappeurs, dirigé par le capitaine et négociant en fourrures Andrew Henry, subit de lourdes pertes lors d'une attaque menée par les Indiens. En effet, alors que le trappeur Hugh Glass ainsi que deux de ses équipiers, dont son fils métis Hawk, chassent un orignal dans les bois, leur campement établi près d'une rivière est brutalement attaqué par des Arikaras qui massacrent sans pitié et pillent le camp. Trente-trois hommes périssent tandis que Glass, Hawk, Henry, John Fitzgerald, Jim Bridger et quelques autres hommes parviennent à prendre la fuite en bateau.
Les trappeurs survivants décident, sur conseil de Glass, de continuer leur expédition à pied, dans les bois, loin de la rivière que les Indiens sillonnent. Des tensions se forment alors au sein du groupe, notamment entre Glass et Fitzgerald, qui semble haïr le fils de Glass en raison de son origine amérindienne. Le groupe établit son campement dans la forêt. Le lendemain, Glass part seul à la recherche de gibier et surprend deux oursons grizzli, mais remarque très vite l'absence de leur mère. Cette dernière, dissimulée dans les hautes herbes derrière Glass, se précipite sur lui et lui inflige de profondes blessures sur tout le corps. Glass parvient cependant à tuer l'ourse en la poignardant, avant d'être découvert par Henry, Fitzgerald, Hawk et Bridger qui le ramènent au campement et tentent de le soigner.
La nuit venue, quelque part ailleurs dans les montagnes, le chef des Arikaras, Elk Dog, réclame armes et chevaux à un groupe de trappeurs canadiens français dirigés par Toussaint, en échange des fourrures volées lors de leur précédente attaque. De leur côté, Fitzgerald, Henry et les autres hommes doivent atteindre le plus rapidement possible le village de Fort Kiowa, mais sont ralentis par Glass, transporté sur un brancard de fortune. Pour écourter ce calvaire, Henry décide d'achever Glass, mais renonce au dernier moment et propose une scission en deux groupes, l'un constitué de Fitzgerald, Hawk et Bridger pour protéger Glass en échange d'une prime, l'autre pour continuer la route jusqu'à Fort Kiowa.
La tension monte entre Fitzgerald et Bridger, qui se révèle extrêmement fidèle à Glass. Fitzgerald tente d'étouffer Glass pour enfin se débarrasser de lui et regagner l'autre groupe. Mais il est surpris par Hawk qui le frappe et appelle Bridger, qui s'était éloigné vers la rivière. Fitzgerald neutralise Hawk et le tue froidement sous les yeux de Glass, impuissant et incapable de parler, avant d'éloigner son corps du campement. Au retour de Bridger, Fitzgerald fait mine de ne pas savoir où est Hawk et affirme qu'il pensait qu'il était avec lui au bord de la rivière.
Le lendemain matin, dès l'aube, Fitzgerald réveille Bridger, lui apprenant la présence d'une vingtaine d'Indiens près de la rivière. Tous deux quittent le campement en abandonnant Glass que Fitzgerald a partiellement enterré. Glass parvient à sortir du trou et à ramper jusqu'au cadavre de son fils. Plus tard, Bridger découvre que Fitzgerald lui a menti et qu'il n'y avait aucun Indien près de la rivière. Bridger le menace alors avec son fusil mais Fitzgerald neutralise le jeune homme. Glass se remet en route, malgré ses lourdes blessures. Il parvient à faire du feu et trouve refuge sous une falaise près du lit de la rivière, mais il est découvert par des Indiens qui l'attaquent. Il prend la fuite à la nage et regagne tant bien que mal la rive.
De leur côté, Fitzgerald et Bridger découvrent un village indien détruit, sans aucun survivant à l'exception d'une femme à qui Bridger offre de la nourriture sans le dire à son partenaire. Après être parvenu à pêcher un poisson, Glass assiste, un peu plus loin, à l'attaque d'un troupeau de bisons par une meute de loups. Un bison est tué, et Glass se retire. Mais durant la nuit, il découvre que les loups ont été éloignés du bison grâce à des feux, par un Pawnee du nom de Hikuc. Ce dernier offre son aide à Glass, lui donne de la chair du bison, le soigne et le transporte sur son cheval. Cependant, peu avant l'aube, Hikuc est capturé et tué par le groupe de trappeurs français. Glass se rend discrètement jusqu'au camp des Français dans le but de leur voler un cheval, celui de Hikuc ayant pris la fuite. Il assiste au viol de Powoqa, une femme arikara qui est la fille du chef indien Elk Dog, que celui-ci recherche activement. Glass sauve cette femme, qui émascule son violeur.
En prenant la fuite, Glass laisse involontairement tomber la gourde gravée de Bridger qu'il avait conservée et, le lendemain, il est attaqué par la tribu indienne et réussit encore une fois à s'échapper. Fitzgerald et Bridger, quant à eux, arrivent enfin à Fort Kiowa, où ils annoncent à Henry la « disparition » de Hawk et la mort de Glass. Un homme blanc se présente aux portes du village et est questionné par Henry et d'autres hommes. Il dépose sur la table la gourde gravée de Glass qu'il dit avoir vu tomber. Tous pensent qu'il s'agit probablement de Hawk qui aurait finalement survécu seul, et se lancent immédiatement, malgré la nuit tombée, à sa recherche. Fitzgerald profite de ce moment pour fuir, comprenant qu'il s'agit de Glass.
Dans la forêt, les hommes trouvent Glass à bout de forces et le ramènent jusqu'à Fort Kiowa où il est soigné et peut enfin révéler la vérité sur ce qui s'est réellement passé avec Fitzgerald. Henry, furieux, recherche Fitzgerald dans le village mais découvre très vite qu'il a pris la fuite en direction du Texas, après avoir volé l'argent du coffre-fort. Henry accepte que Glass l'accompagne. Après avoir trouvé des traces au sol, les deux hommes décident de partir chacun d'un côté pour prendre Fitzgerald en tenaille.
Henry se retrouve face à Fitzgerald, qui le tue. Glass, alerté par le coup de feu, retourne sur ses pas et découvre le corps de Henry. Il se lance à la poursuite de Fitzgerald, et tous deux arrivent sans arme à feu sur le bord de la rivière. Une lutte acharnée s'engage entre les deux rivaux, qui s'affrontent à l'aide d'une dague et d'une hachette. Finalement Glass prend le dessus après avoir mutilé la main de son ennemi. Il livre alors Fitzgerald à la tribu arikara, arrivée sur les lieux durant la lutte, qui l'achève. Les Indiens traversent ensuite la rivière et passent à côté de Glass, qui remarque Powoqa parmi eux. La tribu passe son chemin, tandis que le corps de Fitzgerald s'éloigne dans le cours d'eau. Après le combat Glass, qui marche péniblement dans la neige, est en proie à une hallucination : il voit sa femme (une Indienne pawnee) qui le regarde en souriant et s'en va.
Le film se termine par un regard caméra de Glass, épuisé et définitivement seul dans la neige.
En septembre 1996, Brock Lovett est le coordinateur d'une équipe qui fouille méticuleusement l'épave du Titanic, paquebot géant réputé insubmersible qui connut pourtant un destin tragique. Lors d'une plongée en sous-marin miniature, il espère mettre enfin la main sur le C?ur de l'Océan, un bijou unique à la valeur inestimable, porté par Louis XVI, dont la découverte lui apporterait la gloire (ce bijou est inspiré du diamant bleu de la Couronne). Mais il remonte des profondeurs un coffre-fort qui se révèle ne contenir qu'un dessin représentant une jeune fille nue portant le bijou en pendentif.
À des milliers de kilomètres de là, une vieille dame, Rose Calvert (passagère fictive), découvre ce dessin sur l'écran de son téléviseur. Elle contacte Lovett et lui affirme qu'elle est la jeune fille en question. Étant l'une des rares personnes à avoir survécu au naufrage du Titanic encore en vie, elle raconte à Lovett et à son équipe la croisière inaugurale du paquebot, son naufrage, ainsi que l'histoire d'amour qu'elle a vécue avec Jack Dawson, un artiste voyageant en troisième classe.
Le 10 avril 1912, elle embarque en effet sur le Titanic avec son fiancé, Caledon Hockley, sa mère, Ruth, et leurs domestiques. Pendant ce temps, dans un pub du port, quatre hommes disputent une partie de poker. Deux d'entre eux, Olaf et Sven, ont misé leurs billets de troisième classe pour le Titanic, billets que remportent finalement leurs adversaires, Jack et Fabrizio. Ceux-ci embarquent ainsi sur le paquebot. Alors que commence la traversée, Rose se sent de plus en plus piégée par une haute société qui veut lui faire épouser un homme qu'elle n'aime pas. Finalement, le soir du vendredi 12 avril, après le dîner, elle tente de se suicider en sautant de l'arrière du navire. Jack, qui flânait sur le pont, se précipite à son secours et réussit à la sauver. Lorsque Cal et d'autres passagers arrivent sur les lieux, ils décident d'inviter Jack à dîner avec eux en première classe pour le remercier.
Reproduction du C?ur de l'Océan, bijou au centre de l'action du film.
Le lendemain, samedi 13 avril, Jack et Rose passent la journée ensemble sur le pont du Titanic, discutant de leur vie. Rose envie l'indépendance de Jack et son absence d'attaches. Avec l'aide de Margaret « Molly » Brown, Jack réussit à se rendre présentable pour le dîner où la plupart des invités se montrent amicaux, à l'exception de Ruth et de Cal qui n'affichent que du mépris à son égard. Il est également présenté à de riches passagers, comme le milliardaire John Jacob Astor et sa jeune épouse Madeleine. Après le repas, Jack invite Rose à une fête en troisième classe, sans savoir qu'ils sont épiés par le valet de Cal, Lovejoy.
Le matin suivant, dimanche 14 avril, Cal s'énerve contre Rose et la sermonne sur ce qu'une bonne future épouse se doit d'être. Sa mère exprime également ses craintes : si le mariage n'a pas lieu, leur famille, ruinée, perdra tout. Rose décide donc de se sacrifier pour le bien de sa mère. Jack s'introduit frauduleusement en première classe pour la raisonner, mais en vain : Rose refuse. Ce n'est qu'au coucher du soleil qu'elle se décide à le rejoindre et à quitter le carcan dû à son rang. Elle demande à Jack de la dessiner nue, ne portant que le C?ur de l'Océan offert peu de temps avant par Cal. Après s'être exécuté, Jack et Rose sont obligés de fuir Lovejoy, se réfugiant dans les salles des chaudières puis dans la cale, où ils font l'amour. Peu après être ressortis sur le pont, ils assistent à la collision du Titanic avec un iceberg.
Tous deux décident d'aller prévenir Ruth et Cal et retournent à la cabine de Rose, mais en chemin, Lovejoy glisse le bijou dans la poche de Jack, qui est accusé du vol et enfermé dans le bureau du capitaine d'armes. Rose, mise au courant de la gravité de la situation par le concepteur du navire, Thomas Andrews, se prépare à monter dans un canot avec sa mère, mais change d'avis au dernier moment et se précipite au secours de Jack. Après sa libération, tous deux réussissent à gagner le pont des embarcations. Jack et Cal persuadent Rose de monter dans un canot (Cal a en effet un arrangement avec le premier officier William Murdoch et fait croire à Rose que Jack en profitera aussi), mais celle-ci s'enfuit à nouveau.
Jack et Rose sont alors poursuivis par Cal, qui s'est emparé d'une arme. Finalement, celui-ci abandonne pour sauver sa propre vie et remonte sur le pont. Cependant, dans la panique, l'officier lui rend son argent et après avoir tué deux passagers, se suicide. Cal s'empare alors d'une fillette et l'utilise comme prétexte pour embarquer sur un des derniers canots. Jack et Rose rencontrent Andrews dans le fumoir (celui-ci a décidé de sombrer avec le paquebot), et sont finalement contraints de se réfugier sur le pont arrière. Pendant ce temps, Fabrizio, l'ami de Jack, est tué par la chute de la première cheminée du paquebot. Lorsque le navire sombre, les deux amants se retrouvent dans l'eau glacée et trouvent pour refuge une pièce de boiserie. Seule Rose peut monter dessus, et Jack se laisse mourir pour elle. Rose réussit à signaler sa présence au canot de l'officier Harold Lowe, venu chercher des survivants. Les rescapés du naufrage sont pris à bord du Carpathia au matin du lundi 15 avril, Rose comprise. À son arrivée à New York le 18 avril, elle donne pour nom à l'homme qui établit une liste de rescapés « Rose Dawson », et ne donne plus de signe de vie à sa famille.
De retour en 1996, Rose conclut son histoire, expliquant que Cal, à sa connaissance, s'est suicidé pendant la Grande Dépression. Nul ne sait ce qu'il est advenu du C?ur de l'Océan, mais Brock Lovett déclare avoir enfin compris le sens de l'histoire du Titanic. La nuit venue, Rose jette le bijou dans l'Atlantique (il était en réalité resté en sa possession la nuit du naufrage), puis s'endort ou meurt dans sa cabine (l'interprétation restant confuse pour le spectateur). Elle rejoint Jack et toutes les victimes du naufrage dans le Grand Escalier du Titanic pour un baiser final.