Các phân cảnh của cuộc thám hiểm ngày nay được quay trên tàu Akademik Mstislav Keldysh vào tháng 7 năm 1996.[38] Quá trình quay phim chính bắt đầu vào tháng 9 năm 1996 ở trường quay Fox Baja Studios mới dựng.[38] Phần đuôi tàu (poop deck) được lắp đặt trên một sàn có gắn bản lề có thể nâng từ không đến chín mươi độ chỉ trong vài giây phục vụ cho cảnh tàu chìm, khi đuôi tàu bị nâng cao lên trời.[49] Để đảm bảo an toàn cho các diễn viên đóng thế, nhiều đạo cụ chỉ được làm bằng cao su bọt biển.[50] Đến ngày 15 tháng 11, đoàn làm phim bắt đầu quay cảnh hành khách lên tàu.[49] Cameron chọn đặt con tàu RMS Titanic với mạn phải hướng về phía cảng bởi theo các dữ liệu thời tiết, hướng gió chính hướng bắc - nam sẽ khiến khói từ các ống khói con tàu thổi về phía sau. Điều này làm nảy sinh một vấn đề khi quay cảnh tàu rời Southampton, bởi nó được neo ở vị trí mạn trái hướng về cảng. Vì vậy toàn bộ các chi tiết liên quan đến đạo cụ hay phục trang trong kịch bản đều phải đảo ngược lại, và nếu theo kịch bản ai đó phải đi sang phải, thì khi quay người đó lại phải đi sang trái. Trong quá trình sản xuất hậu kỳ, hình ảnh được đảo ngược lại cho đúng hướng.[51]

Một biên đạo chuyên về các quy tắc xã giao và lễ nghi đã được thuê toàn thời gian để hướng dẫn diễn viên thực hiện các phép ứng xử của giới thượng lưu thời điểm năm 1912 cho đúng.[10] Mặc dù vậy, một số nhà phê bình nhận xét rằng dáng điệu của những người này vẫn chưa chính xác, đặc biệt là hai nhân vật chính trong phim.[52][53][54]

Cận cảnh bức ký họa nhân vật Rose khỏa thân chỉ đeo trên mình viên kim cương "Trái tim của Đại dương" do Cameron vẽ. Cảnh khỏa thân này là một trong những cảnh được quay đầu tiên, do trường quay chính lúc đó vẫn chưa hoàn thiện.[55]

Cameron ký họa bức chân dung khoả thân của Rose do nhân vật Jack vẽ cho một cảnh quay mà ông cảm thấy có một sự kìm nén lớn lao ở trong đó.[9] "Bạn biết điều đó có ý nghĩa thế nào với cô ấy đấy, sự giải thoát mà hẳn cô ấy đang được hưởng. Cảnh quay này trở nên sống động là vì thế," ông nói.[16] Cảnh khoả thân là cảnh quay đầu tiên mà DiCaprio và Winslet thực hiện cùng nhau. "Nó không theo một kiểu thiết kế nào cả, mặc dù vậy tôi thấy mình vẫn không thể làm tốt hơn thế. Có một sự e ngại, một luồng sức mạnh và một sự ngập ngừng giữa họ," Cameron chia sẻ. "Họ đã tập cùng nhau rồi, nhưng chưa quay cảnh nào với nhau cả. Nếu được làm lại, có lẽ tôi sẽ nhấn sâu hơn tới phần cơ thể trong cảnh quay." Ông nói ông và đoàn làm phim "chỉ cố tìm cái gì đó để quay" bởi lúc đó bối cảnh chính vẫn chưa hoàn thiện. "Nó chưa dựng xong trong suốt hàng tháng trời, vì vậy chúng tôi cố tìm cái gì đó để lấp vào, tìm tất cả những cảnh có thể quay được." Sau khi xem lại trên phim, Cameron cảm thấy cảnh quay này tương đối tốt.[16]

Nhưng thời gian làm việc trên trường quay thì không được suôn sẻ như vậy. Thời kỳ quay phim là một trải nghiệm vô cùng gian khổ đã "khẳng định tiếng tăm của Cameron là 'con người đáng sợ nhất ở Hollywood'. Ông được biết đến như một vị đạo diễn cầu toàn không bao giờ chịu nhượng bộ, luôn đưa ra những mệnh lệnh cứng rắn" và là một người "chuyên quát tháo với âm lượng 300 decibel, một Thuyền trưởng Bligh của thời nay với cái loa và điện đàm trên tay, đứng từ trên cái cần cẩu cao 162 foot mà hét xuống mọi người".[56] Winslet bị gãy xương khuỷu tay trong khi quay phim, và lo ngại rằng mình sẽ chết đuối trong bể nước 17 triệu ga-lông xây lên để chứa con tàu ấy. "Có nhiều lúc tôi thực sự phát sợ vì ông ấy. Tính khí của Jim thì, bạn sẽ không thể tin được đâu," cô nói.[57] "'Trời đánh nó đi!' ông ấy quát một thành viên đáng thương nào đó trong đoàn làm phim, 'đó chính là điều tôi không muốn!'"[56] Đồng nghiệp của cô, Bill Paxton, đã quen với cách làm việc của Cameron vì trước đó đã từng làm việc với ông. "Có quá nhiều người trên trường quay. Jim không phải mẫu người dành thời gian để lấy lòng từng thành viên trong đoàn," ông nói.[56] Mọi người trong đoàn làm phim thì cho rằng Cameron có một cái tôi kinh khủng khác thường, và gọi trêu ông là "Mij" (từ Jim đọc ngược lại).[56] Đáp lại những lời chỉ trích này, Cameron nói, "Làm phim cũng như một trận chiến. Một cuộc chiến lớn giữa thương mại và nghệ thuật."[56]

Trong thời gian quay phim trên tàu Akademik Mstislav Keldysh, một thành viên nóng tính nào đó trong đoàn đã cho chất gây ảo giác PCP vào súp của Cameron và nhiều người khác, khiến hơn 50 người phải vào viện điều trị.[9] "Một số người chỉ cảm thấy tròng trành và mất thăng bằng. Nhưng có một số người nói họ thấy trong mắt những đường sọc dài và ảo giác," diễn viên Lewis Abernathy nói.[9] Cameron còn bị nôn trước khi thuốc hoàn toàn hết tác dụng. Abernathy thực sự sốc trước cái nhìn của vị đạo diễn. "Một mắt ông ấy đỏ rực, như con mắt của nhân vật Kẻ huỷ diệt. Một con ngươi, không thấy tròng, đỏ như cây củ cải đường. Con mắt kia thì trông như thể ông ấy đã hít keo dán từ khi lên bốn tuổi."[9][56] Người ta không tìm ra được kẻ đứng sau vụ đầu độc này.[17][58]

Lịch quay phim được dự tính kéo dài 138 ngày nhưng sau đó lên tới 160. Nhiều diễn viên bị cảm lạnh, cúm hoặc mắc các bệnh liên quan đến thận sau hàng giờ đồng hồ ngâm mình trong nước lạnh, trong đó có Winslet. Sau này, Winslet nói rằng cô sẽ không bao giờ làm việc với Cameron nữa trừ khi nhận được "rất nhiều tiền".[59] Một số người rời đoàn làm phim và ba diễn viên đóng thế bị gãy xương, nhưng Hiệp hội Diễn viên Điện ảnh sau khi điều tra đã xác nhận bối cảnh và các đạo cụ ban đầu không có gì gây nguy hiểm.[58] Thêm vào đó, diễn viên DiCaprio cũng khẳng định anh không hề thấy nguy hiểm trong quá trình quay phim.[60] Cameron tin vào thái độ làm việc say mê và chưa bao giờ đưa ra lời xin lỗi về cách ông điều hành trường quay, mặc dù cũng đã công nhận rằng:

Tôi đòi hỏi, và tôi đòi hỏi ở những nhân viên của tôi. Còn về chuyện làm việc kiểu thiết quân luật, tôi thừa nhận đã có lúc mình như thế trong khi điều khiển hàng nghìn diễn viên quần chúng mà vẫn phải duy trì tính lô-gic và đảm bảo an toàn cho mọi người. Tôi nghĩ bạn sẽ phải có phương pháp làm việc tương đối nghiêm khắc khi điều khiển nhiều người như thế.[58]

Kinh phí làm phim Titanic bắt đầu tăng cao, và cuối cùng đã chạm ngưỡng 200 triệu USD.[4][5][6] Các giám đốc hãng Fox tỏ ra hoang mang, và đề nghị cắt đi khoảng một tiếng trong bộ phim dài ba giờ đồng hồ. Họ lập luận rằng phim càng dài thì sẽ càng có ít suất chiếu hơn, như thế thì lợi nhuận sẽ thấp hơn, mặc dù những bản anh hùng ca dài như vậy sẽ giúp các đạo diễn có cơ hội giành giải Oscar. Cameron phản đối, nói với Fox rằng, "Các ông muốn cắt phim của tôi ư? Vậy các ông sẽ phải đuổi việc tôi! Các ông muốn đuổi việc tôi ư? Các ông sẽ phải giết tôi!"[9] Các giám đốc không muốn bắt đầu lại từ đầu, bởi thế sẽ khiến toàn bộ chi phí đầu tư của họ từ trước tới nay đổ xuống sông biển, nhưng ban đầu họ cũng từ chối lời đề nghị của Cameron không cần phải chia lợi nhuận cho vị đạo diễn nữa, cho rằng đó là một cử chỉ trống rỗng; thậm chí họ còn cảm thấy rằng phim sẽ khó mà thu lãi.[9] Cameron giải thích hành động bồi thường này của ông là một vấn đề phức tạp. "...nói ngắn gọn là theo tỷ lệ, bộ phim tốn kinh phí hơn nhiều so với Kẻ huỷ diệt 2: Ngày phán xét và True Lies. Những phim đó tăng khoảng bảy đến tám phần trăm do với chi phí dự kiến ban đầu. Titanic cũng bắt đầu với một ngân sách lớn, nhưng sau đó nó còn tăng thêm rất nhiều," Cameron nói. "Là nhà sản xuất và đạo diễn, tôi chịu trách nhiệm viết hoá đơn cho hãng, nên tôi cố gắng làm mọi thứ trở nên đỡ hơn cho họ. Tôi làm thế hai lần. Họ không yêu cầu tôi làm vậy; nhưng họ tỏ ra cảm kích với việc làm này của tôi."[16]