1996年7月，《泰坦尼克号》主要的拍摄制作从加拿大新斯科细亚省达特茅斯展开，那里是研究船凯尔迪什号的现代探险场景。1996年9月，拍摄制作转移到墨西哥罗萨里多海滩市新建的福斯巴哈工作室，即泰坦尼克号原比例复制船的所在地。在一具液压升降机上也建造了艉艛甲板原比例复制品，可以在几秒钟内从0°抬升到90°，模拟泰坦尼克号在真实下沉过程中抬高的船尾。
为了特技演员的安全，许多道具都是用泡沫橡胶制成的。1996年11月15日，开始拍摄南安普敦港的乘客登船场景。前期制作期间，由于所需经费高昂，卡梅隆选择只建造泰坦尼克号复制船的完整右舷部分，而且研究当年的气象数据后得知，首航当天吹的是北风，将烟囱烟雾吹向船尾。
这在拍摄制作期造成了重大错误，因为泰坦尼克号首航时实际上是左舷靠岸，而要建造完整的左舷过于昂贵，所以卡梅隆将剧本上指示的服装和道具全部左右反转。例如，如果有个角色在剧本中是向右走，他们必须在拍摄时向左走，这省下了数百万美元经费。在后期制作中，电影才以镜像处理、左右翻转到正确的方向
卡梅隆向他的摄制团队提议——拍摄14米长的泰坦尼克号模型，就好像“我们正在为白星航运拍广告”。之后，以计算机动画模拟了海水和烟雾，以及利用动态捕捉技术，转换成甲板上的人物；视觉特效监制罗伯特·勒加托负责模拟动画人物的真实感，他扫描了许多动作演员的脸孔和肢体表演，包括自己和他的小孩在内。还有一艘长20米的船尾模型可以反复断开，
这是唯一可以在水中使用的泰坦尼克号模型。对于泰坦尼克号发动机室的重建画面，则是在自由轮欧布莱恩号的发动机室内拍摄，然后再使用模型、绿幕、计算机遥控的运动摄影机以及各种复杂技术完成。为了节省成本，头等休息室的画面是用模型拍摄，再与绿幕前的演员合成。头等休息室模型随后将被粉碎，用来模拟沉船时的破坏力，并且在摄影机移动时灌注强烈的水流。
一座封闭的巨大水箱（水量约18,927,050升）用来拍摄泰坦尼克号沉没的模拟场面，以机械装置将复制品倾斜到水中。为了将主楼梯弄沉，当它浸入水箱时倾注了340,000升的水量。出乎意料的是，强劲水流将主楼梯复制品从钢筋基座上扯裂，几乎压到特技演员，所幸无人受伤。
长达227米的泰坦尼克号复制船也有一半浸入水箱，但是因为非常重，所以需要额外的液压辅助装置。为了将泰坦尼克号复制船倾入水中，卡梅隆清空了大部分内部空间，甚至还自行砸碎一些散步长廊的窗户。淹没头等餐厅复制品后，整个团队花了三天时间拍摄宝藏猎人的遥控潜水器，从现在的残骸穿越到过去。泰坦尼克号完全沉没后的冰冷大西洋场面，则是在一座1,324,893升水量的水箱中拍摄；大量冻死的尸体是在演员脸部涂上特殊粉末，这些粉末遇水后便会结晶；再于衣服及头发上涂蜡，营造出冻死的视觉效果。
