六人在马赛乘坐火车到巴黎。 到达后，却发现一名妇女死于车上。 警方随即调查了另外五名乘客，并怀疑其中一人是凶手，但嫌疑犯一一离奇死亡。 最后两个幸存者必须在自己成为下一个受害者之前靠自己调查清楚。
影片以年轻女子斑比（凯瑟琳·阿莱格雷饰）登上从阿维尼翁开往巴黎的火车开始。车厢里还有她的同伴雷内·卡布尔（米歇尔·皮科利饰）、乔吉特·托马斯（帕斯卡尔·罗伯茨饰）、里沃拉尼（保罗·帕维尔饰）和著名女演员艾丽安·达雷斯（阿莱格雷特现实生活中的母亲西蒙·西涅莱饰）。她还遇见了丹尼尔（雅克·佩兰），一名偷渡者，正在前往巴黎的途中。在帮助他避开检票员后，她允许他睡在她上面的一个空隔间里。到达巴黎后，意识到他无处可去，她也允许他住在她的公寓里，他们开始了恋爱关系。与此同时，在火车上，乔吉特被发现死在她的铺位上。警督格拉齐亚尼（伊夫·蒙当饰）和他的助手让-卢·加伯特（克劳德·曼饰）被指派处理此案。其他乘客的身份已被确认，并被告知作为可能的目击者与警方联系。警方还询问了乔吉特的情人鲍勃·瓦斯基（查尔斯·丹纳Charles Denner 饰）。
迷恋乔其特并在火车上遭到她拒绝的卡布尔第一个联系了警方，但在他能够作证之前，他就被一名身份不明的袭击者开枪打死。警察开始盘问乘客，从达雷斯开始，她到达了她的公寓，与此同时，班比和丹尼尔正要归还丹尼尔早些时候拿走的钱包。当警察进入公寓时，看到她的情人埃里克·格兰丁（让-路易斯·特林蒂尼昂饰）离开。警方从达雷斯那里了解到乔吉特和卡布尔之间的争吵。她还向他们讲述了丹尼尔的事，但由于机票已被他人登记，他们不相信她。
与此同时，丹尼尔和班比在她的钱包里发现了格兰丁写给达雷斯的一封情书，当他们读到这封信时，旁白变成了闪回，达雷斯回忆起了她的关系。当达雷斯正要离开公寓时，她被身份不明的袭击者杀害，与此同时，另一名袭击者谋杀了里沃拉尼。这两起谋杀案都发生在警方与他们交谈之前。
达雷斯被谋杀后，警方审问了格兰丁，丹尼尔也前来归还钱包和信件。他们还了解到，达雷斯向她的兄弟申请贷款，用于与格兰丁在南非开办一个农场，这提醒他们格兰丁陷入了财务困境，需要钱。与此同时，警方采访了车厢内的第六名乘客加洛迪，但他们发现她没有登上火车。
袭击者来寻找斑比，而丹尼尔在场，他险些避开了他们，然后警告她注意袭击者，并告诉她立即离开办公室，并以他的名义躲在她办公室附近的一家酒店里。他还联系了警方，承认自己是第六名乘客，并报告了袭击者的情况。
警方发现，达雷斯的账户通过支票被提取了一大笔钱。他们发现支票上的男子已经死亡，这引起了怀疑。与此同时，格拉齐亚尼发现丹尼尔是第六名乘客，他发现了袭击者，同时也得知让-卢在联系丹尼尔时冒充了他，并立即跑去寻找他，这让格拉齐亚尼意识到让-卢就是其中之一。袭击者。
格拉齐亚尼随后联系了丹尼尔，发现丹尼尔告诉让-卢他是第六名乘客，同时还透露了他和斑比躲避袭击者的计划。随后，格拉齐亚尼奋力营救丹尼尔和斑比，他通过电话指导丹尼尔如何应对袭击者，同时联系地区警察保护他并找到斑比。他还建议用丹尼尔作为诱饵来抓捕袭击者。格拉齐亚尼到达斑比的酒店，发现地区警察无法找到她，组织了对每个房间的检查，最终他在其中一个房间找到了她，同时也发现了躲在酒店里的格兰丁。格兰丁向警方透露了计划，火车谋杀案只是转移注意力，目的是掩盖真正的目标达雷斯，导致警方将注意力集中在铁路犯罪上，并认为谋杀她是为了消灭目击者，因为他们偷了她的钱并一起逃跑。他还告诉他们，他和让-卢利用警方记录中的数据伪造了支票上的名字。
与此同时，让-卢到达丹尼尔所在的位置，但丹尼尔在格拉齐亚尼到达时设法逃脱。让·卢逃离现场，随后在巴黎周围展开了一场漫长的追逐，一群骑自行车的人协助警察追捕让·卢。当让-卢被逼到河边的路上时，追逐结束了，他开始开枪自杀。