1966. Le journaliste Chow Mo-wan, à la suite d'une douloureuse déception amoureuse, quitte Singapour et s'installe dans un hôtel de Hong-Kong, chambre 2047, où il s'attaque à l'écriture d'un roman de science-fiction situé en 2046. Au dancing, il rencontre Lulu, avec qui il avait eu une aventure contrariée à Singapour. Dans l'hôtel, il fait la connaissance de sa voisine, la belle Bai Ling. La sachant délaissée par son amant, il la séduit et entretient une relation avec elle. Mais il se montre parfois trop distant pour la jeune femme, qui doute de ses intentions. Ils finissent par rompre, elle retourne auprès de son ancien amant dans l'espoir de rendre Chow jaloux. Rien n'y fait, et Bai Ling finit par quitter l'hôtel. La chambre 2046 est alors occupée par Jing-wen, la fille aînée du patron. Elle s'entraîne à parler japonais pour comprendre les lettres de son amant, mais se heurte au racisme de son père. Chow lui propose de recevoir les lettres à sa place, et une complicité naît entre eux. Jing-wen aime écrire, elle devient l'assistante officieuse de Chow. Ils écrivent ensemble 2047 , un roman évoquant son amant, qu'elle finit par aller rejoindre. Chow fantasme alors une relation avec un de ses personnages, une androïde inspirée de Jing-wen. Puis il se souvient de sa rencontre avec Su Li-zhen, une joueuse invétérée, qui portait le même nom que son amour perdu.