Hercule Poirot, Doğu Ekspresi'nde İstanbul'dan ayrılırken kendini beklenmedik bir cinayet soruşturmasının ortasında bulur. Tren, kış mevsimine göre oldukça kalabalıktır ve bu durum, trendeki herkesin farklı geçmişlere ve milletlere sahip, dikkat çekici bireylerden oluştuğunun bir göstergesidir. Daha yolculuğun başında, trenin vagon restoranının altında çıkan küçük bir yangın nedeniyle beklenmedik bir duruş yaşanır ve bu durum yolcularda, özellikle de Mary Debenham'da, önemli bir gecikme endişesi yaratır. Aynı zamanda, yaşlı ve zengin bir Amerikalı işadamı olan Samuel Ratchett, Poirot'ya yaklaşarak kendisinin tehdit edildiğini ve güvenlik için yardım istediğini belirtir. Ancak Poirot, Ratchett'in sinsi bakışlarından ve acımasızlığından hoşlanmaz ve teklifi reddeder. Bu arada, Poirot Ratchett'i genç sekreteri Hector MacQueen ile yemekte gözlemler; MacQueen, patronundan hoşlanmadığını, hatta nefret ettiğini itiraf edecektir.
Ertesi sabah, tren karda mahsur kalmışken, Ratchett vagonunda ölü bulunur. Vücudunda çok sayıda bıçak darbesi vardır; bazıları hafif, bazıları derindir ve bu darbelerin bir kısmı sağ elini kullanan biri tarafından indirilmişken, diğerleri sol elle indirilmiş gibi görünmektedir. Bu durum, başlangıçta birden fazla katil olduğu izlenimini uyandırır. Cinayet gecesi, trenin koridorlarında kırmızı bir kimonolu kadın ve kondüktör üniforması giymiş bir yabancı görüldüğüne dair çelişkili ifadeler ortaya çıkar. Poirot, tüm yolcuları sorgulamaya başlar ve her birinin ifadesinde çelişkiler ve gizemli ayrıntılar bulur. Örneğin, Mary Debenham'ın soğuk ve sakin tavrı dikkat çekerken, MacQueen'in Ratchett'e olan nefreti açığa çıkar. Prenses Dragomiroff gibi asilzadelere yapılan sorgulamalarda da ilginç detaylar ortaya çıkar; prenses, Poirot'nun ismini duyunca "kader" diyerek tepki verir ve hikayeye esrarengiz bir hava katar. Ayrıca, Ratchett'in aldığı tehdit mektuplarının farklı kişilerin elinden çıktığı ve matbaa harfleriyle yazıldığı anlaşılır, bu da katilin veya katillerin kimliğini belirlemeyi zorlaştırır.
Poirot, tüm bu ipuçlarını bir araya getirdiğinde, başlangıçta önemsiz görünen ayrıntıların, örneğin Bayan Hubbard'ın sünger torbasının yeri, Armstrong'un annesinin adı ve Macar pasaportundaki yağ lekesi gibi noktaların, aslında büyük bir planın parçası olduğunu fark eder. Ortaya çıkan kanıtlar, cinayetin sanıldığı gibi tek bir kişi tarafından değil, trendeki neredeyse tüm yolcuların dahil olduğu karmaşık ve önceden planlanmış bir intikam eylemi olduğunu gösterir. Ratchett'in gerçekte, yıllar önce Amerikalı bir aileyi perişan eden ve küçük bir kızı kaçırıp öldüren Cassetti olduğu anlaşılır. Trendeki her yolcunun bu olayla bir bağlantısı vardır ve hepsi Cassetti'den intikam almak için bir araya gelmiştir. Poirot, cinayetin birden fazla kişi tarafından ve ortak bir motivasyonla işlendiğini, her birinin Ratchett'i bıçaklayarak suça katıldığını ortaya koyar. Sonunda, Poirot iki olası çözüm sunar: birincisi, trende dışarıdan gelen bir yabancının cinayeti işlediği, ikincisi ise tüm yolcuların iş birliğiyle cinayetin gerçekleştirildiği. Bay Bouc ve Doktor Constantine, cinayetin karmaşık yapısını ve yolcuların ortak acısını göz önüne alarak, trene dışarıdan bir yabancının girip cinayeti işlediği ve ardından kaçtığı ilk çözümü kabul etmeyi tercih ederler, böylece adalet kendi yolunu bulmuş olur.
