1966年，从新加坡返回香港想忘掉过去的周慕云（梁朝伟 饰）住进东方酒店的、同他曾经熟悉的数字2046只差一号的2047号房，开始了他的卖文生涯。眼前、曾经在他身边出现过的一个个女人（章子怡、王菲、张曼玉、刘嘉玲等 饰）经过他大脑的过影后，令他对时空产生疑惑，不但忘不了过去，一幕幕往事反而更加挥之不去。 为了与过去作更好的告别，他将生活的点点滴滴化为文字，写下小说《2046》（说只要搭上了前往2046的列车，人们就可以找回失去的记忆）。
故事围绕一个刚出生的宝宝开始。人字拖（成龙 饰）虽有不凡的身手，可是终日沉迷赌博毫无人生目标，便与包租公（许冠文 饰）、八达通（古天乐 饰）一起盗窃，干着偷偷摸摸的犯罪事。城中女富豪（余安安 饰）唯一的孙子出生后，包租公受不了金钱的诱惑，答应把宝宝偷给黑帮老大，以证明宝宝是否是自己死去的儿子与前女友的孩子。 成功偷得孩子后，一连串发生的事情，使人字拖及八达通改变了自己的人生观念。人字拖开始关心家人，八达通也看到了自己老婆（蔡卓妍 饰）的不易，开始重新做人。 在包租公及黑势利的威胁下，他们还是要把偷来的BB交出来，到底又会发生些什么事，故事有会否大团圆结局呢？
三十年前双亲遭人杀害，凶手真实身份和行凶动机均是个谜，私家侦探陈强（郭富城 饰）辗转追踪到马来西亚，只为弄清父母的死因。然而与他父母曾有交往的关系人回忆所述前后矛盾，且劝阻他不要继续追查。在此期间，陈强的家也被人入室翻检。在孤立无援的情况下，他求助于当地的私家侦探郑风喜（张家辉 饰），请他协助查找关系人的背景和某些重要人物的下落。郑此刻正为弟弟的事情焦头烂额，但他耐不住陈的激将法，毅然接受委托。 但从着手调查的那一天起，各种危险便如影随形。交织着毒品与欲望的罪恶阴影，命悬一线的两位侦探逐渐向当年的真相逼近……
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1905年，香港中环。革命志士惨遭暗杀。知悉孙中山（张涵予 饰）即将抵港，清廷遂派遣将军阎孝国（胡军 饰）前来剿杀。他收买赌徒沈重阳(甄子丹 饰)作密探。适逢商人李玉堂(王学圻 饰)之子李重光(王柏杰饰)考学庆典，沈重阳见前妻月茹(范冰冰 饰)与幼女已成他人家眷，黯然离去。为护孙，《中国日报》社长陈少白（梁家辉 饰）邀戏班班主（任达华饰）出手，令其惨遭灭门，其女方红(李宇春 饰)侥幸生还。陈少白被擒，与阎孝国相见，师生决裂。独子游行好友被擒等变故，使李玉堂投身革命，引得探长史密夫(曾志伟 饰)查封报馆。其间，李玉堂帮车夫阿四(谢霆锋 饰)与恋人阿纯（周韵 饰）订婚。月茹夜会沈重阳，要他弃暗投明。打女方红、小贩王复明(巴特尔 饰)、乞丐刘郁白(黎明 饰)等人也先后加入护孙行列。一场惊心动魄的全城追杀由此展开…… 本片投资1.5亿人民币，史上首度以 1：1的比例，在上海重铸了1905年的香港中环。
