電影講述在1945年中國抗日戰場，中國軍隊將軍雷義方（黃曉明 飾）在平原戰場上率兵大敗日軍，軍隊的通訊兵佟大慶（佟大為 飾）俘獲了台灣籍日軍軍醫嚴澤坤（金城武 飾）。日軍投降後，三人各自其生活。雷義方返回上海，在舞會上認識了富豪千金周蘊芬（宋慧喬 飾），兩人一見鐘情，並很快結婚了。但好景不常，內戰爆發了，同時，他的夫人懷孕了。

嚴澤坤在抗戰勝利後回到台灣，卻發現曾經的戀人日本女孩志村雅子（長澤雅美 飾）已經被遣返回日本。但由於嚴的母親不喜歡二人來往，她把雅子寄來的信全都燒毀，以致二人失去聯繫。未婚的佟大慶於再次召集時，為了家人得到更多的糧食配給，他請白天做護士照顧傷兵的于真（章子怡飾）拍張照片證明已婚，沒想到真的成了一對苦戀的情侶。國共大戰中，國民黨的軍隊全面潰敗。雷義方在戰死前托佟大慶一定要把自己的日記本交給妻子。

在內戰快要結束之際，嚴澤坤的弟弟嚴澤明（楊祐寧 飾）因見到大哥嚴澤漢被誣陷為共產黨被槍斃，對時局極端失望，去大陸參加了學生運動。嚴澤坤為了維持在苦難中風雨飄搖的家庭，他代替去世的大哥而娶了嫂嫂，表面上為購買藥品實為找回弟弟而登上往返基隆與上海間的郵輪「太平輪」。表面上的他風平浪靜，內心卻一直沒有停止思念因戰爭被迫分離的日籍戀人雅子。當時的中國，人人千方百計都想登上太平輪，離開上海到台灣。這艘船彷彿成為人們最後的希望。沒想到，意外的沉船改變了所有人的命運，船上近千人絕大多數都在海難中遇難。

眾人相逢在開往台灣最後一班的「太平輪」上，究竟這三對戀人刻骨銘心的愛情故事，彼此間的微妙關係，命運的齒輪互相緊扣，大時代下各人該何去何從呢？