電影開篇，顯示的是一位女性宇航員登上火箭的畫面。這位女宇航員隨着火箭奔向外太空，她的眼神顯示出她在尋找什麼東西。畫面結束，原來這是一部經典電影的著名畫面。而飾演女宇航員的這位女演員則是一名非常著名的演員。《千年女優》的故事，就隨着採訪者——這位女演員的粉絲對這位女演員展開的採訪拉開了序幕。
女孩與神秘人的相遇
根據這位女演員的講述，她在年幼時遇見了一個神秘的人。他們相遇時，這個男人正在遭人追捕，而她不知道為什麼，向追蹤的人指了錯誤的方向。後來，她還幫助這個男人在一處廢棄的小屋中藏身。這個身份神秘、不知名的男人告訴了女孩許多新奇的事情，這些都是在她小小的世界中從未出現過的，轉瞬即逝的流星。這個男人為她講述了自己故鄉擁有的美麗平原，講述了少女視角以外的世界的豐富多彩。年輕的女孩被他深深吸引，但是好景不長，不久追兵追來，男人不得不離開。
這個男人是一個畫家，女孩在他的畫中找到了自己一直以來所追逐的東西，男人離開時，一把鑰匙被他遺落。這把鑰匙，就是男人口中那把開啓重要之物的鑰匙。為了把鑰匙還給男人，也為了和男人重逢，女孩踏上了追逐之旅。
走上演員之路的女孩
少女為了尋找男人口中那個有着美麗雪原的故鄉，成為了一名演員。作為演員，她出演了許多角色：戰亂時期，堅貞不屈，一直在尋找殿下的公主；幕府時代，一直在等待夢中之人的藝妓；西洋風席捲日本的大正時代，滿懷熱情追求愛情的少女；踏上前去宇宙的火箭，義無反顧繼續追逐的宇航員……每一個角色，在她們各自的故事中，都有着她們追尋的人。而演員本身的故事，也和她所飾演角色的故事相互交纏，成為一個渾然整體。
而今敏導演在表現從虛幻的電影到現實的人生之間的相互聯繫時所使用的剪輯手法更是出神入化，故事脈絡明晰，場景轉換流暢，畫面觀感極其豐富。
終其一生的追逐
演員的追逐遭受了兩次打擊。第一次的打擊是在她盛年時，她的導演為了得到她，設計讓她遺失了那把重要的鑰匙，逼迫她回到現實中來。這枚鑰匙後來被她在打掃房間時找到。
第二次打擊是在她年齡增長之後。那時候她猛然發覺自己的容顏已經枯萎，外表看起來已經變得蒼老。她沒有勇氣以這副姿態去見那個人，鑰匙也在意外中遺失，於是主動隱居，不再追尋。
而男主角，也就是上文提到的身為粉絲的採訪者的拜訪，一同帶來了遺失已久的鑰匙。這把鑰匙喚醒了演員長久的回憶，她終於下定決心繼續尋找，最終在美夢中仙逝。