本片的故事是陳凱歌與曾獲金馬獎最佳編劇的嚴歌苓共同完成的，嚴歌苓先後改了七次劇本。按照陳凱歌的設想，影片中展現的梅蘭芳不是一代宗師，而是普通的「人」，在台上比女人更女人，在台下比男人還男人。要把握這樣的基調，必須碰觸梅蘭芳的隱私，幸而梅氏後人全力支持，那段封存已久的梅孟之戀（梅蘭芳與京劇名角孟小冬的愛情）也首次在大銀幕曝光。
1894年，梅蘭芳（黎明飾）出生於北京京劇世家，當時戲子地位等同於娼妓，梅蘭芳承襲父輩，為梅家旦角之第三代傳人，偶然認識從西方留學歸國、鄙視中國京戲的邱如白（孫紅雷飾）。
邱如白從梅蘭芳身上發覺了中國京戲的深度與涵養，結合他從西方所學習到的新知，協助梅蘭芳徹底改革表演模式，卻遭到當時京劇翹楚亦是前輩的十三燕的強力反對，梅蘭芳接受十三燕的挑戰，在舞台上以新舊之京戲演出一較高下。沒想到梅蘭芳以深刻動人的演出獲得現場觀眾的滿堂彩，至此也宣告梅蘭芳的時代來臨。
事業如日中天、名號傳遍亞洲的梅蘭芳，認識了生命中最重要的紅粉知己孟小冬（章子怡飾），兩人從相識至相知相惜，對彼此的情感跨越了一切，當邱如白察覺梅蘭芳願為孟小冬放棄事業的決心，他決定拆散他們…。
片中也重現梅蘭芳的經典京劇唱段，包括最著名的「梅八出」（《貴妃醉酒》、《霸王別姬》、《奇雙會》、《鳳還巢》、《宇宙鋒》、《生死恨》、《洛神》、《遊園驚夢》），還有早年的《一縷麻》等。梅蘭芳的兒子梅葆玖也親自參與配唱。
