Rachel Watson（愛蜜莉·布朗 飾）發現她的丈夫Tom Watson（賈斯汀·賽理斯 飾）跟兩人的房地產經紀人Anna Boyd（蕾貝卡·弗格森 飾）有染後，離婚並開始沉迷酒精。在二人的婚姻關係中，Rachel傾向於酒精引起的迷糊期間做出一些自我毀滅行為，她後來獲Tom告知，這使二人的婚姻關係走到盡頭，加上她是不育的原因。
Rachel跟她的朋友Cathy（勞拉·普萊潘 飾）分租單位，並習慣在火車上度過幾天，她經常跟蹤著前夫Tom與他的現任妻子Anna和新生女兒Evie。在她的旅程上，她慢慢著迷於Tom的鄰居，Scott Hipwell（路克·伊凡斯 飾）與他的妻子Megan Hipwell（海莉·班奈特 飾），那是一對年輕的夫婦，Rachel認為那是一個完美的婚姻。現實中，Scott是個暴躁而且控制慾強的人，而Megan是個不忠的女人，她經常跟不同的男人有情感關係，包括她的心理醫生Dr. Kamal Abdic（艾格·拉米瑞茲 飾）。
有一天，Rachel經過她的鄰居，她見到Megan跟Dr. Kamal Abdic在她的陽台上吻起來，讓她認為Megan破壞了她的「完美」婚姻而變得激動起來。在酗酒後，Rachel離開火車來面對Megan，她不醒人事並在數小時後醒來，在她寓所，受傷。Rachel後來發現Megan失蹤了，並推測死亡，她被Riley警探（艾莉森·珍妮 飾）查問，她懷疑Rachel牽涉其中，由於她最近不穩定的行為。
Rachel扮作是Megan的朋友來接近Scott，告訴他關於Megan出軌的事。Scott認出Dr. Kamal Abdic是Megan的情人，相信Megan失蹤後，Rachel安排與他見面，其間他們討論了Rachel與Tom的困擾的關係，特別在辦公室聚會的那件事，開罪了Tom老闆的妻子Martha（麗莎·庫卓 飾），導致Tom被解僱。
在一家酒吧裡，Rachel認得火車的一名乘客，那個人透露於Megan失蹤當晚見到Rachel下火車。那個人回家，後來發現Rachel於隧道裡昏迷，被一個看不見的人毆打，他假設她跌倒，他提出幫忙，但遭她激烈地拒絕幫助。Rachel返到那隧道，回想她見到Megan和Tom，以及對她伏擊前對她大叫。同時，Riley警探建議Tom有關Rachel的行為要跟她保持聯絡。Anna發現Tom有可疑，她試圖登入Tom的電腦，在過程中她發現有一個神秘電話號碼及一些語音訊息到另一個與Tom有關連的女人，後來驗證到那電話是Megan的。
Megan被發現死亡，法醫確定她懷孕了，但孩子既不是Scott也不是Abdic的。面對著Rachel，Scott成為了嫌疑人，相信她對他有陰謀，並在過程中揭示了他在Megan死前曾襲擊她。在火車上，Rachel走到Martha身旁，為她在聚會上的行為道歉，而她發現Tom被開除並非她的關係，而是他跟許多同事發生性關係而被解僱。Rachel意識到Tom在她的腦海種下不少錯誤的記憶，來說明他的虐待行為。
Anna發現跟Tom電話聯絡的是Megan，並發現他們二人都有關係。Rachel發現Megan有了Tom的孩子，並向Abdic表示，導致她誤會他們在陽台上見到的事情性質。當日下了火車，Rachel抓住Tom與Megan見面，並叫著她，讓她誤會那是Anna。Tom回到Megan身邊前打了Rachel，Megan表示自己懷孕並公開他們的關係，Tom殺掉Megan。
Rachel到Tom的家提醒Anna，但Anna表示她已經知道。Tom回來面對她，Tom跟Rachel爭執時，Anna表示她找到Megan的電話。當Rachel試圖撥打911時，Tom抱著Evie要脅著Anna，Anna請求他把Evie交給她。Tom從Rachel手上取得電話，並命令她坐下。Rachel告訴Tom她如何得知他的錯誤行為及指控。Tom把Rachel打至失去知覺，讓他回想起他如何殺害Megan。當Rachel回復意識時，Tom告訴她，指他希望那一天她保持距離。Rachel帶著開瓶器試圖逃出屋外，Tom抓著她並試著扼殺她，但她以一盞燈擊中他並再跑。在屋外，Tom抓住了Rachel，但這次她把開瓶器從他頸項捅進去，就是Anna看到的那樣。Anna然後離開了屋，把Tom頸上的開瓶器插得更深，於是Tom死掉了。
Rachel和Anna分別被警方拘捕，Rachel出於自衛把Tom殺了，而他透露自己是殺害Megan的兇手。
一年後，Rachel已沒有酗酒，整個人變得清醒，她找到一份新工作，她繼續乘相同路線的火車，然而她現在坐另一方的車廂，展開新的旅程。