Le riprese principali per Titanic iniziarono nel luglio del 1996 a Dartmouth, Nuova Scozia, a bordo della nave oceanografica russa Akademik Mstislav Keldyš. Nel settembre 1996 la produzione si spostò alla Baia degli studios di Rosarito, in Messico, dove la 20th Century Fox, non avendo teatri di posa sufficientemente grandi, aveva acquistato 16 milioni di metri quadrati di costa e fatto costruire una cisterna esagonale di circa 37000 m² contenente 76 milioni di litri d'acqua, in cui furono poi ricostruiti, a grandezza naturale (scala 1:1), il 90% del Titanic (ne sarebbe stata tralasciata una porzione di 27 metri, pari al 10%), il cassero di poppa e parte del molo di Southampton. Il set principale venne costruito solo dal lato di dritta dopo che era stato condotto uno studio sui venti prevalenti della zona, da cui era risultato che il fumo emesso dai fumaioli sarebbe stato correttamente orientato verso poppa. Le riprese durarono sei mesi e terminarono il 23 marzo 1997. Dei set interni della nave venne ricostruito lo scalone monumentale di prua dal livello del ponte lance al ponte E, che appare svariate volte nelle scene più importanti del film, i relativi corridoi annessi, la sala da pranzo di prima classe, una porzione della sala caldaie, la suite presidenziale B-52, B-54 e B-56 (con qualche accorgimento a causa della documentazione), la stiva di carico, diversi spazi della terza classe, la sala fumatori di prima classe e il Palm Court Restaurant sul ponte A. Ci fu anche un largo uso di set e location ricreate in scala ridotta e aggiunte ai set fisici tramite l'ausilio della computer grafica che lo stesso Cameron aiutò a creare. Il transatlantico venne ricostruito interamente più volte a diverse scale e a sezioni specifiche. Alcuni di questi modelli sono stati riutilizzati nel 2012 dallo stesso Cameron per il documentario di National Geographic sul centenario dell'affondamento. Scene ambientate nel salone di prima classe, nella sala macchine e svariate riprese dell'urto con l'iceberg, l'allagamento e l'affondamento sono risultati di scene ibride tra effetti pratici e digitali. Per descrivere infine le scene dell'affondamento, la maggior parte dei set vennero realmente realizzati immersi in acqua, in vasche apposite. Alla fine delle riprese poco materiale è sopravvissuto, quello che rimane si trova nel museo Fox a Rosarito o alla Ronald Reagan Presidential Library, in Presidential Drive, Simi Valley, California, Stati Uniti.