Alvy Singer is een van Manhattan's briljanste humoristen maar in de liefde kan hij wel wat hulp gebruiken. Die krijgt hij van zijn beste vriend, die hem introduceert bij nachtclubzangeres Annie Hall.
Hong Kong, 1966. In een kleine hotelkamer schrijft Chow Mo Wan een Science-Fiction boek dat zich afspeelt in 2046. Het gaat over een mysterieuze trein naar 2046 waar al degenen die daarheen gaan worden gedreven door hetzelfde verlangen: hun verloren herinneringen terugvinden. Tijdens het schrijven denkt hij aan de vrouwen die in zijn leven zijn voorbijgegaan.