波洛是一名侦探。在一列叫“东方快车”的火车上，发生了一起谋杀案。而波洛在国际客车公司的董事——布克的委托下，负责办理这个案子。他发现，死者雷切特竟然是很多年前的一名绑架犯——卡塞蒂。
卧室里雷切特被刀子被刺了12刀。刀痕有的很浅，只是轻轻地划伤，有的伤口很深，伤及动脉，有的刀痕是左手持刀，有的刀痕是由右手划出。因此，可能由两人以上的人，参与了这场谋杀。而根据另一节车厢的车厢的医生判断，雷切特的死亡时间是凌晨12点到两点之间。
同样，波洛发现了几样很明显线索。一张印着“H”的手帕、一个烟斗通条、还有雷切特身上一块被压扁的金表。金表不动了，指针指向凌晨1点11分。此外，还有一堆烧过的纸，没有完全烧完。波洛用小技巧恢复了纸片，发现了“黛西·阿姆斯特朗”，几个字。他吃惊第发现，原来死者“雷切特”是那个臭名昭著的绑架犯卡塞蒂。
卡塞蒂绑架了美国阿姆斯特朗家的小女孩。交出赎金后，阿姆斯特朗夫妇发现女儿已经死了，随后怀孕中的阿姆斯特朗太太生下死婴，自己也去世了。阿姆斯特朗开枪自尽。还有个保姆也被警方误会，被逼跳楼。而卡塞蒂凭借财力和警方的关系，逃过了审判。波洛想，这个案件和阿姆斯特朗一家的悲剧有关？
包括波洛在内，车里共13名乘客，一名乘务员。波洛断定，凶手一定是这13个人其中一个。因为虽然窗户开车，但是火车陷在雪里动不了，车内的人不可能下车，还留在车上。此外，卡塞蒂的房间无论是靠近走道的门，还是连通另一间美国老太太的门，都是插上插销的。密室杀人案？波洛觉得很有意思。
第一个接受审问是列车乘服员。他说，卡塞蒂昨晚上十二点三十七的时候，和他有过对话。波洛也听到了。那时候他睡不着，突然听到了重重的敲门声，他走出门看了看。这时隔壁卡塞蒂呼叫服务的铃声也响起来了，乘服员听到了服务铃声也来了，房间里传来一句法语，“没事，我按错了。”而波洛门口没有人，他只看到一个穿着猩红色睡袍的人，向尽头走去。随后，这个乘务员就去隔壁车厢和其他乘务员聊天，回来后一直坐在靠近餐车那边的车厢尽头。有证人可以为他作证。
麦奎因是卡塞蒂的私人秘书。麦奎因说，自己的雇主最近很烦恼，在被人追杀。而在12点到2点之间，他一直在和英国绅士阿巴思诺特上校在自己房间聊天。
卡塞蒂隔壁房间是一个美国老太太，审讯完麦奎因后，她冲进来说，昨晚凶手在自己房间。半夜，他睡觉的时候，他感觉到了有人鬼鬼祟祟第在她房间走动，吓得她大气不敢出。但同时她又说，自己房间连着卡塞蒂的房间的连通门门，是上了插销的，这点瑞典太太可以为他作证。
瑞典太太晚上向美国老太太借了一些治头疼的药，她说，那天晚上她帮老妇人确认过了，连通的那扇门，的确是插上了插销。
卡塞蒂的仆人说他服侍完卡塞蒂吃完安眠药（每次旅行，卡塞蒂都要吃安眠药入睡）后，就回自己房里看书了。在12点到2点间，他在房间，房间里的意大利推销员可以为他作证。
意大利人一直在房间，没有出门。
伯爵夫妇在房里。伯爵妇人叫埃伦娜，昨晚他服了安眠药，很早就睡下了。
玛丽是英国人，是一名女教师。波洛怀疑她，因为她聪明，同时，他无意听到了，玛丽对阿巴斯诺特，“现在不行，要等那件事情解决….”他们之前的一起在另一辆列车上，那辆车中途也遇到了故障，可能无法如期到达，因此误了这辆东方快车号。那时候的玛丽非常着急，甚至生气，但是现在列车也无法行进，玛丽却一点反应也没有….波洛觉这点很可疑。
玛丽和瑞典太太在一个房间，他们可以互相证明，谁也没有离开过房间。
哈德曼是受雷切特雇佣的美国侦探。他说，雷切特说自己在被一个女里女气的，有者小胡子的小个子男人追杀，请哈德曼来保护自己。哈德曼没有买到和雷切特相连的房间，只买到头等车厢靠近餐车的那一间。他一整晚都在监视着车厢内的情况，他证明乘务员确实是一直坐在餐车前。
德拉戈米罗夫公主昨天晚上睡不着，叫她的仆人施密特为他读书，半个小时她就睡着了。
斯密特说，她读完书后，出门撞到了一个女里女气，有者两撇胡子，穿着乘务员衣服的男人，随后她就回房间睡觉了。
审讯完一圈后，似乎这13个人都有不在场的证据。他们都对阿姆斯特朗一家的遭遇表示愤怒。而其中，德拉戈米罗夫公主是阿姆斯特朗太太母亲，琳达·阿登的教母。
此外，但有几个疑点和新线索指向，猩红色睡袍在哪，是谁的？女里女气的男人，凭空消失了？或者谁有可能假扮？烟斗通条是谁留下的？有者字母“H”的手帕是谁的？
就在波洛不得其解时，车厢里发出了一阵哄乱。而在美国太太的洗漱袋里，竟然藏着血淋淋的凶器。她吓坏了，崩溃地说准是昨天混进她房间的凶手放进去的。安抚完美国太太后，波洛建议检查乘客们的随身行李，发现阿巴斯诺特上校的烟斗通条和卡塞蒂房间的一致。但是他有不在场的证明。接着，他们在斯密特女仆的行李箱里看到了一套乘务员的制服，斯密特也吓坏了，她说绝对有人趁他不在房间时，放进去的。而在波洛的行李箱里，赫然放着一件猩红色的睡袍！波洛不禁莞尔，他觉得是凶手在跟他玩幽默。
搜查之后，和布克讨论时，波洛注意到一个细节，安德雷尼伯爵妇人埃琳娜的行李箱上的名字贴条被水打湿，有点不清晰了。而她的护照，名字的首字母也被一块油渍弄脏。波洛大胆猜测，埃伦娜，E会不会是被修改了，应该是H，伯爵妇人应该叫海伦娜。这个案件很大可能与阿姆斯特朗有关，而阿姆斯特朗太太有个妹妹，费尽心思想掩盖伯爵妇人和阿姆斯特朗一家的关系，说明他们关系非凡。在加上名字的线索，波洛确定安德雷尼伯爵妇人就是阿姆斯特朗夫人的妹妹，海伦娜。
波洛决定用推理出的事实去质问他们，让他们承认真相。
海伦娜听到波洛这么叫她时，挺惊讶的，很快，她承认自己的阿姆斯特朗夫人的妹妹。但是绣着“H”的手帕不是她的，她没有杀卡塞蒂，隐瞒只是因为，怕警察怀疑自己。
通过波洛的质证，发现列车上的大部分的人都和阿姆斯特朗一家有关系。卡塞蒂的仆人是阿姆斯特朗家的管家、意大利人是司机、玛丽老师是私人教师、斯密特是护士、阿巴斯诺特上校是战友……
在旅行淡季，不同国籍、不同阶层、身份的人，聚集到一起，本来就是一件怪事。波洛说，在另一个场景中，只有可能在一个美国大户人家出现。英国的私人老师、德国的管家、意大利的司机……
再加上这么多人都和阿姆斯特朗家有关，太过于巧合了。通过分析各个人的证词，通过比对，找出证词中的漏洞，波洛发现，车厢上的这十三个人，要努力第创造卡塞蒂被谋杀的另一幅景象。
也许他们希望的最后定案的“真相”是这样的。有个女里女气，有两撇胡子的小个子男人，在一点十一刻的时候闯进了卡塞蒂的房间里，通过左右手，东一刀西一刀，把卡塞蒂杀死了，然后夺窗而逃。
然而，车上来了个叫波洛的侦探，还有雪阻止了列车行进，创造这个真相的过程得重新设计一下。
仆人已经在水里给卡塞蒂为了安眠药，卡塞蒂睡死过去。为了把事情搅乱，在凌晨12点47分时，他们中的一个穿着猩红色的睡袍，重重第敲了波洛的门，然后向远处走去。此时，波洛看到了一个穿着猩红色睡袍的神秘人。与此同时，卡塞蒂的房间按响服务铃声，房间传来一声法语：没事，按错了。（此后秘书麦奎因一直提醒波洛，卡塞蒂不会说法语。想误导波洛，此时卡塞蒂死了，在他房间里另有他人）与此同时，公主的房间里的服务铃声也响了起来…..这些都是为了引起波洛的注意。
然后，这个十三个人中的十二个，依次在凌晨两点时，闯进卡塞蒂的房间里，依次用刀子刺向卡塞蒂，致其死亡。既然无法伪装凶手逃走了，那就干脆留下两个明显的证据，一个绣有H的手帕，和烟斗通条，“嫁祸”给公主和上校。这两个人身份地位比较高，警察一般不能拿他们怎么样。
然后，这十二个人中，分别以两两似乎不相关的人，互相证明不在场。
一场试图瞒天过海的谋杀，似乎天衣无缝，波洛是怎么看出来的呢？
漏洞在那些证词里面。
仆人说，服侍卡塞蒂吃下安眠药才离开。既然，卡塞蒂知道自己被追杀，枕头下面放着抢，怎么会主动吃安眠药。可想而知，安眠药是谁放下的….
侦探说被卡塞蒂雇来保护他，但是住一间才比较合理才对，因此他也在说谎。
美国太太说，自己房间和卡塞蒂的连通门上的插销被洗漱包挡住了，当时自己在床上，便请瑞典太太帮忙确认，是否有插上。但是，她的房间是单号，插销是在洗漱包上方，不可能被挡住。因此，她说的全是编造谎言….
说道这里，波洛说，如果没有猜错德华，这个美国老太太，就是阿姆斯特朗太太的母亲，著名悲剧演员，琳达·阿登。
至此，琳达·阿登承认了自己的身份，并坦白承认了。除了小女儿，也就是阿姆斯特朗太太的妹妹，这十二个人都参与了谋杀。正义无法昭彰，他们十二个人，有阿姆斯特朗家有着特殊联系的人，组成了一支“陪审团”，以他们自己的方式，完成了这场审判。