1966年,从新加坡返回香港想忘掉过去的周慕云住进东方酒店的、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)。。伊森在父母车祸生亡后背负极大的罪恶感,他毅然决然放弃了麻省理工学院的大好前途,为了他的妹妹转而投入一项极具革命性的新实验。伊森在过程中逐渐发现这项实验的无穷潜力,甚至萌生想将死去的父母带回人间的念头,然而结果却超乎他的预期……。沃尔特(Peter Linz 配音)和盖瑞(杰森·席格尔 Jason Segel 饰)是一对情深意笃的兄弟,所不同的是沃尔特是一个永远不会长高的布偶,而盖瑞则是正常的人类。岁月流逝,盖瑞渐渐长大,拥有自己的工作和爱情,沃尔特则始终保持孩童般的心,他最爱看的就是电视上播放 的布偶秀,即使这个节目已经停播多年,但他还是布偶秀的忠实粉丝。某天,盖瑞和女友玛丽(艾米·亚当斯 Amy Adams 饰)、沃尔特前往洛杉矶旅行,顺便参观布偶秀的剧院。沃尔特意外得知,某黑心上人要收购这里的土地挖掘石油。为了保护心中的圣地,他必须找到散落在各个角落的布偶家族成员……。