세계적인 명탐정 에르큘 포와로(케네스 브래너)는 사건 해결을 의뢰 받고 이스탄불에서 런던으로 향하는 오리엔트 특급 열차에 탑승한다. 열차가 출발한 지 얼마 지나지 않아 포와로에게 낯선 남자가 대화를 청한다. 자신을 미술상이라고 소개한 라쳇(조니 뎁)은 신변보호를 부탁하지만, 포와로는 단칼에 거절한다. 그런데 눈사태로 열차가 멈춰선 그날 밤, 라쳇이 잔인하게 살해당한다. 포와로는 열차 안에서 벌어진 밀실사건을 해결하기 위해 탑승객인 하드만 교수(윌렘 대포), 드라고미로프 공작부인(주디 덴치)과 하녀 슈미트, 가정교사 데번햄(데이지 리들리)과 의사 아버스넛, 선교사 에스트라바도스 (페넬로페 크루즈), 허바드 부인(미셸 파이퍼), 사업가 마르케스, 안드레니 백작 부부, 라쳇의 비서 맥퀸과 집사 마스터맨, 열차 승무원 미셸을 면담하지만, 그들 모두 완벽한 알리바이를 제시한다. 이에 포와로는 용의자들의 진술과 현장에 남겨진 단서를 토대로 추리를 시작하는데…