Belgický detektiv Hercule Poirot vyřešil v Sýrii kriminální případ a vracel se domů. Ve vlaku do Cařihradu si všiml mladé angličanky jménem Mary Debenhamová a také plukovníka Arbuthnota.
V Cařihradu ho zastihl telegram, ve kterém ho žádali, aby přijel do Londýna. Poirot změnil své plány a rozhodl se, že pojede Orient-Expresem po trase Istanbul-Calais. Stejným směrem chtěl jet také Herculův přítel monsieur Bouc, ředitel mezinárodní železniční společnosti.
Ve vlaku cestovalo společně s detektivem ještě třináct osob, mezi nimi i angličanka Mary Debenhamová a plukovník Arbuthnot. Druhý den cesty požádal detektiva o pomoc starší američan jménem Ratchett. Obával se, že bude zavražděn, chodily mu výhrůžné dopisy, a tak hledal někoho, kdo by ho chránil před nebezpečím. Poirot ho odmítl. Hodinu po půlnoci při průjezdu Jugoslávií vjel vlak do závěje a uvízl v ní. Ráno byl Ratchett nalezen ve svém kupé mrtvý, ubodán dvanácti ranami nožem. Před smrtí byl omámen prášky, aby nemohl křičet. V kapse jeho pyžama byly nalezeny hodinky, které se zastavily v 1 hodinu a 15 minut. V tuto dobu byl zavražděn, což potvrdil i lékař. Ale mohlo jít o falešnou stopu. Na místě činu se našel luxusní dámský kapesníček s iniciálem "H", kousek čističe dýmky a zbytek spáleného výhružného dopisu.
Poirot dokázal zachránit část textu. V ní byla zmínka o malé Daisy Armstrongové. Poirot si vzpomněl na případ, ve kterém figurovala malá Daisy. Tříletou Daisy unesli gangsteři v čele s Cassetim. Přestože požadované výlkupné dostal, Daisy zabil.
Podobné únosy zopakoval. Byl zatčen, ale spravedlnosti unikl. Změnil si jméno na Ratchett a cestoval po světě se svým tajemníkem a komorníkem. Daisyina matka Sonie, dcera slavné herečky Lindy Ardenové, čekala druhé dítě, smrt dcery neunesla, předčasně porodila a při porodu zemřela. Její manžel plukovník Armstrong se zastřelil a Daisyina chůva, která byla podezřelá z napomáhání únosu, skočila z okna.
Poirot musel vyřešit, kdo Ratchetta zabil. Postupně si do jídelního vozu volal jednotlivé pasažéry a vyptával se na jejich alibi. Zjišťoval, zda někdo z nich neměl vztah k rodině Armstrongových. Nejblíže k nim měla starší bohatá ruská kněžna Dragomirovová, přítelkyně Lindy Ardenové. Ta neměla potřebnou fyzickou sílu. Její německá komorná ji Hildegarda poskytla alibi.
Paní Hubbardová, jejíž kupé bylo vedle Ratchettova, tvrdila, že po půlnoci se k ní z vedlejšího kupé vkradl jakýsi muž a ona předstírala, že spí, takže víc neviděla. Ratchettův tajemník, pan Hector MacQueen, tvrdil, že netušil pravou totožnost svého zaměstnavatele. Ratchettův anglický komorník Mastermann tvrdil, že celou noc neopustil své kupé, což mu potvrdil i jeho spolucestující ital Foscarelli.
Švédka Gretta Ohlssonová a anglická guvernantka Mary Debenhamová, které bydlely v jednom kupé, tvrdily, že v USA nikdy nebyly a rodinu Armstrongových neznaly. Plukovník Arbuthnot strávil část noci rozhovorem s Hectorem MacQueenem a prohlašoval, že Armstrongovy neznal. Údajný detektiv Cyrus Hardman tvrdil, že si ho najal Ratchett, aby ho chránil před menším černovlasým mužem s ženským hlasem. To se Poirotovi nezdálo, protože Hardman byl od Rattcheta velmi vzdálen, takže by ho v noci těžko chránil. Posledními cestujícími byl maďarský hrabě Andrényi se svou ženou Elenou. On i jeho manželka prý celou noc spali.
Někteří vyslýchaní, zahlédli vlakem procházet ženu, která měla na sobě červené kimono s draky. Komorná Hildegarda se zase na chodbě srazila s mužem, který se vydával za průvodčího. V pokoji paní Hubbardové se pak našel utržený knoflík z jeho uniformy. Poirot provedl osobní prohlídky zavazadel cestujících. V kufru Němky objevil uniformu průvodčího s univerzálním klíčem v kapse. V jiném zavazadle našel rudé kimono s draky s mastnou skvrnou. na cestovním pase zjistil, že manželka hraběte Andrényiho se ve skutečnosti jmenuje Helena. Byla sestrou Sonie Armstrongové, a protože by byla první podezřelá, manžel změnil její jméno v dokladech. Ukázalo se, že kapesníček v Ratchettově kupé patří kněžně Dragomirovové. Jmenovala se sice Natalia, ale N se v azbuce píše jako H. Detektiv si pak znovu zavolal Mary Debenhamovou a na základě rozhovoru s hraběnkou Andrényiovou ji usvědčil, že u Armstrongových pracovala jako Helenina vychovatelka. Domyslel si, že je nepravděpodobné, aby se v jednom vlaku sešly hned tři ženy, které spojovala jedna tragédie. Začal si proto domýšlet, co by s rodinou Armstrongových mohli mít společného ostatní cestující.
Z jednotlivých indicií a útržků výpovědí pomalu došel k překvapivému závěru. Dal si všechny zavolat do jídelního vozu a představil jim dvě možná řešení. První bylo takové, že cizí vrah v uniformě průvodčího vstoupil do vozu, když vlak stál ve stanici, zavraždil Ratchetta, převlékl se do obyčejných šatů a uprchl z vlaku pryč. Druhá verze byla mnohem zajímavější. Všichni ve vlaku byli nějak svázáni s rodinou Armstrongových. Hildegarda u nich pracovala jako kuchařka, ital Antonio byl jejich šofér, švédka byla chůva obou dcer a plukovník byl rodinný přítel. Paní Hubbardová byla ve skutečnosti matkou Sonie a Heleny - Lindou Ardenovou. Hector byl přítel Mary, pan Hardman byl přítelem Daisiny chůvy, která spáchala sebevraždu a pravý průvodčí byl jejím otcem. Ti všichni se rozhodli vzít spravedlnost do svých rukou a potrestat Cassetiho za zločiny, které spáchal.
Svůj plán dokonalé vraždy si už jednou vyzkoušeli na nečisto. Chtěli, aby to vypadalo, že Cassetiho zabil vrah převlečený za průvodčího, ale situaci zkomplikovalo to, že vlak uvázl v závěji. Mary se proto vlakem prošla v kimonu, aby Poirota zmátla, a ostatní nastražili další falešné stopy - hodinky, kapesníček a čistič dýmky. Každý udělil Ratchettovi jednu ránu. Každý, kromě hraběnky Andrényiové. Monsieur Bove a lékař, který mrtvolu ohledával, se shodli, že policii předloží první řešení nabízené Poirotem.
"Víte, drahý doktore, já nejsem z těch, kdož se spoléhají na triky odborníků. Vycházím z psychologie, nikoli z otisků prstů nebo z cigaretového popelu. V tomto kupé je plno stop, ale kdo nám zaručí, že tyto stopy jsou opravdu takové, jak se nám jeví?"
"Musím říci, že mi není docela jasné, jak to myslíte, monsieur Poirote."
"Nu tak kupříkladu – našli jsme dámský kapesník. Ztratila jej žena? anebo si ten muž, který zločin spáchal, pomyslel: Narafičím to tak, aby se zdálo, že tento zločin spáchala žena. Zasadím svému nepříteli zbytečně mnoho ran, mezi nimi i chabé a povrchní, a upustím tento kapesníček tak, aby na něj přišli. To je jedna eventualita. Existuje však i druhá eventualita. Spáchala snad zločin žena a pohodila tu schválně čistítko na lulku, aby to svedla na nějakého muže? anebo máme vážně uvažovat o možnosti, že v tom mají prsty dva lidé nezávisle na sobě – muž a žena – a že tu oba z neopatrnosti zanechali stopu své totožnosti? To by tedy byla příliš velká náhoda!"
"Vy se myslím díváte trochu svrchu na způsob, jakým vedu tento výslech," pravil a zamrkal na ni. "Nikoli tak, myslíte si, jak by anglické vyšetřování bylo vedeno. Tu by bylo všechno rozkouskováno a vysušeno – všechno by se přidržovalo faktů – dobře zorganizovaná akce. Leč já, mademoiselle, já mám svou metodu. Nejprve koukám na svědka nebo svědkyni, ohodnotím jeho nebo její charakter a podle toho konstruuji otázky. Před chvílí jsem kladl otázky pánovi, který mi chce sdělit všechny své názory na všechny objekty. Jeho držím přísně k věci. Jeho nutím odpovídat na otázky ano nebo ne, toto nebo ono. A pak přijdete vy. Já vidím hned, že vy budete pořádná a metodická. Vy budete sledovat danou záležitost. Vaše odpovědi budou stručné a k věci. A protože, mademoiselle, lidská povaha je zlomyslná, já vám kladu otázky na jiný způsob. Ptám se vás, co cítíte, co si myslíte. Tato metoda vám není sympatická?"