比利时名侦探赫尔克里·波洛在叙利亚阿颇勒为法国侦破一起内部案件后，搭乘托罗斯快车前往土耳其斯坦布尔，打算从那里转车回欧洲。在车厢中，除了波洛外，只有两位英国旅客，一个是驻印度的英军军官，另一个则是位面容端庄的小姐，这两名乘客似乎非常熟络，互称对方为阿巴思诺特上校和玛丽·德贝纳姆小姐。列车抵达斯坦布尔后，波洛渡过博斯普鲁斯海峡，在托卡良旅馆遇到旧友——国际客车公司的董事布克先生。二人在餐厅中共进晚餐时，邻桌的美国人雷切特引起了波洛的注意，他看上去有六七十岁，眼睛里始终透露着凶狠、邪恶的气息。而更奇怪的是，似乎全世界的人都选在那一夜出行，原本铺位一向宽裕的豪华列车竟一票难求。急于返回英国却买不到车票的波洛，在布克先生的帮助下挤上了列车。

第二天中午，来到餐车的波洛，依照习惯开始观察起车厢里的旅客：身材魁梧、皮肤黝黑的意大利人，瘦小端庄、佣人模样的英国人，一个大个子、像是旅行推销员的美国人，一板一眼的俄罗斯老贵妇以及侍者，来自匈牙利的大使夫妇，还有阿巴思诺特上校和德贝纳姆小姐等人。车厢另一头则坐着麦奎因和他的雇主雷切特。餐车散席后，旅客们陆陆续续地离开。就在这时，雷切特突然凑了上来。来人已经得知波洛身份，他直言自己的生命正受到威胁，希望能够雇佣波洛来保护自己。波洛不为所动。

当天夜里，列车抵达贝尔格莱德，加挂上车厢。布克先生让出一号包厢给波洛，自己则搬到二等车，波洛接受他的好意，搬进雷切特隔壁的包厢。当天深夜，睡梦中的波洛被一声哀嚎惊醒。同时，由于遭遇暴风雪，列车被积雪困在温科夫奇和布洛德之间动弹不得。深陷积雪的车厢内，雷切特死在了他的包厢，他被刺了十二刀，可包厢的门却是反锁着的。随着调查的深入，案情似乎更加扑朔迷离，波洛想出了两种截然不同的结果。