Hay 4 arcos argumentales principales, cuyo orden aproximado se indica a continuación, aunque, como es típico en las películas de Wong, se presentan por partes y en orden no cronológico. Para ser más concisos, se supone que se conoce "Days of Being Wild" y "In the Mood for Love", aunque no es absolutamente necesario.

Arco 2046 parte I
En el futuro, una red ferroviaria conecta la Tierra. Las almas solitarias intentan llegar a una misteriosa habitación llamada 2046; allí nunca cambia nada, por lo que nunca hay pérdida ni tristeza. Nadie ha regresado nunca de 2046, excepto el japonés Tak.

"Todos los recuerdos son rastros de lágrimas"
Al regresar a Hong Kong después de años en Singapur, Chow se convierte en un suave donjuán para encubrir su dolor por la pérdida de Su. En la víspera de Navidad, Chow conoce a Lulu y la lleva a su casa, pero accidentalmente se queda con la llave de su habitación. Al marcharse, se da cuenta de que el número de la habitación es el 2046. Al devolverle la llave, el casero le informa de que la habitación no está disponible por reformas y le ofrece la contigua 2047. Más tarde, Chow se entera de que Lulu fue apuñalada en la 2046 la noche anterior por un novio celoso.

Una vez terminada la renovación del 2046, el casero le pregunta a Chow si quiere mudarse. Ahora se ha acostumbrado al 2047 y se queda allí.

Arco de Wang Jing-wen y Wang Jie-wen parte I
La hija del casero, Jing-wen, se muda al 2046; tiene una relación con un japonés a la que su padre se opone. Finalmente, Jing-wen rompe con él, sufre una crisis nerviosa y es internada. La siguiente inquilina es la hermana menor de Jing-wen, Jie-wen, que seduce a Chow sin éxito.

Poco después, Chow tiene dificultades económicas, por lo que empieza a escribir una serie llamada 2046 sobre individuos con problemas de corazón que intentan encontrar el misterioso 2046. Casi todos los personajes de 2046 están basados en personas que Chow ha conocido, como Su, Lulu y Jing-wen.

Arco de Bai Ling parte I
La tercera en entrar en 2046 es Bai Ling, que parece ser una chica de club nocturno y prostituta de lujo que busca una relación duradera. En la siguiente Nochebuena, Bai se encuentra con Chow justo después de que su novio la deje antes de que vayan a Singapur. Él la intriga con sus experiencias en Singapur y se hacen amigos, pero su relación inicialmente platónica pronto se convierte en sexual. Chow quiere mantenerla estrictamente física, y sigue recogiendo a otras prostitutas. Para llegar a un acuerdo, Bai le hace pagar 10 dólares cada vez que se queda a dormir. Sin embargo, Bai se da cuenta de que siente algo por Chow y le pide que deje de ver a otras mujeres. Chow se niega, así que Bai rompe con él, empieza a salir con hombres sólo por dinero y se muda de 2046.

Jing-wen parte II
Después de que Bai se mude, Jing-wen vuelve a vivir en el hospital psiquiátrico, pero sigue deprimida por la pérdida de su ex. Su ex quiere reconciliarse con ella, pero ella se niega debido a su padre. Jing-wen ayuda a Chow a escribir; él comenta que es su periodo más feliz después de Su. Él desarrolla sentimientos por ella y hace algunos débiles intentos pero nada se desarrolla ya que ella sigue amando a su ex.

Un día, Jing-wen le pregunta a Chow si hay cosas en la vida que nunca cambian. Él responde escribiendo una historia llamada 2047 en la que un japonés se enamora en el viaje de vuelta a casa de 2046. Aunque al principio intenta basar la historia en el ex de Jing-wen, se da cuenta de que, en última instancia, la historia trata de él mismo.

Arco de 2046 parte II
Tak (interpretado por el ex de Jing-wen) intenta abandonar 2046 porque ha perdido a su amor allí. Durante el viaje, se enamora de una de las asistentes ginoides del tren (retratada por Jing-wen), pero ésta nunca le responde. Tak se da cuenta de que está enamorado de otra persona y encuentra la fuerza para abandonar el tren y 2046. La finalización de la historia marca un punto de inflexión en la recuperación de Chow.

Jing-wen parte III
En la siguiente Navidad, Chow descubre que Jing-wen sigue echando de menos a su ex, por lo que le permite llamarle a su despacho. Aunque siente algo por ella y podría haberse aprovechado de la situación, se alegra de haber hecho "lo correcto". Poco después, Jing-wen se muda a Japón y se compromete.

Mientras sigue deprimido por la pérdida de Jing-wen, Chow se encuentra de nuevo con Lulú cuando ésta se enfrenta a otra mujer por haberse acostado con su actual novio. Chow piensa que Lulú se quedará para siempre en el pasado, aunque ella parece estar contenta con su miseria, y se propone superar a Su.

El arco de Bai, parte II
Tiempo después, Bai llama a Chow y salen a cenar. Le informa a Chow de que planea irse a Singapur y le pide una referencia y un billete de avión. Bai también le pregunta dónde estuvo la pasada Navidad, ya que ella pasó por allí con la esperanza de verle. Chow había vuelto a Singapur para encontrar a otra mujer llamada Su Li-zhen.

Arco de Su
Chow conoció a la segunda Su cuando llegó por primera vez a Singapur y estaba afligido por la primera Su. La segunda Su aceptó ayudarle a recuperar su dinero para que pudiera volver a Hong Kong. Se convirtieron en amantes, pero a menos que él la venciera en un sorteo de "cartas altas", ella nunca revelaría su identidad. Cuando recuperó su dinero, le pidió que se fuera con él. Ella le retó a un sorteo, que él volvió a perder. Chow especuló que ella también tenía un pasado problemático.

Inicialmente con el corazón roto, Chow se da cuenta, tras completar 2047, de que la segunda Su no se fue con él porque habría intentado recuperar el pasado buscando elementos de la primera Su en ella. Cuando Chow volvió a Singapur para visitarla por segunda vez, no la encontró. Preguntó por su paradero y se imaginó que había vuelto a Camboya o que la habían matado.

El arco de Bai, parte III
La noche antes de que Bai se vaya a Singapur, Chow vuelve a cenar con ella. Ella insiste en pagar la cena después de recibir el pago de un cliente y le entrega un montón de dinero, cada billete de 10 dólares representa una noche que han pasado juntos. Tras la cena, Chow la acompaña a su apartamento. Agarrando sus manos en la puerta, ella le ruega que pase la noche una vez más. Él le recuerda una pregunta que le hizo, si había algo que no le prestaría, y ahora se da cuenta de que hay una cosa que no le presta a nadie. Chow se va en un taxi, con la mirada vacía en el espacio. No volvió a verla.