В Париж приезжает некий американец и покупает у живущей там русской женщины драгоценности. Её сообщник замечает, что за ними следят. Вскоре на американца нападают, но ему удаётся сбежать.
Следивший за американцем мужчина заходит в антикварный магазин, владельцем которого является грек, доктор Папаполоус. Доктор, называя гостя мсье Маркиз, узнаёт, что попытка покушения не удалась.
В лондонском отеле «Савой» останавливается американский миллионер мистер Ван Алдин. Дочь миллионера Рут вышла замуж за никчемного Дерека Кеттеринга. Дерек открыто проводит время со своей любовницей, танцовщицей Мирей. Отец предлагает Рут разойтись, но дочь не хочет шумихи.
Ван Алдин дарит дочери рубины, принадлежащие русской императрице Екатерине Второй, которые он купил в Париже. Также он нанимает человека, чтобы собрать о зяте порочащую его информацию.
Дерек, который погряз в долгах и сидит без денег, предлагает отсрочить развод. Его отец долго не протянет и после его смерти он станет лордом и хозяином старинного поместья. Дерек намекает тестю, что сама Рут также верностью не отличается. Рут подтверждает, что встречается с графом де Ля Рошем, с которым у неё был роман до замужества.
Любовнице Дерека Мирей его развод не выгоден. После развода он останется без денег, а она любит роскошь. Она слышала, что Ван Алдин купил рубины, которые, наверное, подарит Рут. Мирей желает Рут смерти, тогда все её деньги достанутся Дереку. Мирей известно, что Рут собирается на Ривьеру к своему любовнику.
У мисс Катарины Грей умирает компаньонка, которая оставила ей всё своё состояние. Кузина Катарины, леди Темплин, решает пригласить Катарину к себе в гости на Ривьеру.
Катарина приезжает в Лондон и останавливается в отеле «Савой». Она покупает билет в идущий на Ривьеру «Голубой поезд». В турагентстве Катарина видит своего соседа по гостинице Дерека Кетеринга, который также собирается выехать в Ривьеру «Голубым поездом».
Новый секретарь Ван Алдина, майор Найтон, работающий всего два месяца, предлагает Дереку крупную сумму, если он согласится на развод, но Дерек отказывается.
Вместе со своей новой горничной Адой Рут тоже едет на Ривьеру «Голубым поездом». Ёё соседкой оказывается Катарина Грей. Рут признаётся Катарине, что едет на Ривьеру, чтобы тайно от всех встретиться с любовником. Катарина замечает, что Ада держит в руках сафьяновую шкатулку с инициалами «Р. В. К.».
Поезд проезжает через Париж. На Лионском вокзале Катарина выходит подышать воздухом. В поезде Катарина знакомится с маленьким человеком, у которого большая яйцеобразная голова и огромные усы. Поезд делает остановку в Лионе.
Ужинать Рут в вагон-ресторан не приходит, ей передают в купе еду. Идя спать, Катарина видит, что проводник стелит Рут постель, та в это время смотрит в окно, а купе её горничной пусто. Ночью Катарина просыпается и замечает, что её часы стоят. Она выходит в коридор и видит, что проводника на его месте нет, а в купе Рут входит Дерек.
Поезд проезжает Канны. Катарина выходит из купе на перрон и видит, что только у Рут закрыты шторы. Опаздывающий поезд прибывает в Ниццу. В поезде появляется полиция: Рут нашли утром задушенной шнуром, а её горничная исчезла.
Полиция допрашивает Катарину. Вместе с полицией допрос ведёт попутчик Катарины — это знаменитый детектив Эркюль Пуаро. Он просит Катарину опознать труп. Катарина рассказывает, что Рут собиралась встретиться со своим любовником. Лицо покойной обезображено тяжёлым ударом, но Катарина узнает её по родинке на руке.
Пуаро предполагает, что Рут задушили, а потом нанесли страшный удар, чтоб её изуродовать, но зачем? Катарина сообщает, что нет сафьяновой шкатулки, которую она вчера видела. В купе горничной Пуаро находит волосы Рут на одном из пледов, лежащих на полке.
Проводник сообщает, что Рут заказала еду в купе и приказала стелить постель только ей, так как горничная осталась в Париже. Шкатулки он не видел и был ли кто-то в купе горничной тоже не знает. Проводник хотел разбудить Рут и увидел, что она мертва. Врач считает, что Рут была мертва ещё до того, как поезд прибыл в Лион.
Леди Темплин устраивает обед, на котором присутствует Дерек. её старый знакомый. Он узнаёт Катарину и интересуется, кто же умер в поезде. Неожиданно Дерека вызывают в полицию.
Найтон сообщает Ван Алдину, что находясь в Париже по его поручению он случайно встретил горничную Рут. Девушка сообщила, что хозяйка оставила её в Париже и велела ждать дальнейших указаний. Ничего не понимающий Ван Алдин получает сообщение о смерти дочери. Также он узнаёт, что Дерек уехал на Ривьеру и тем же поездом уехала и Мирель. Ван Алдин едет в Ниццу. Туда же прибывает и Ада.
Ада сообщает, что служила у Рут всего два месяца. Прибыв в Париж, Рут решила прогуляться по перрону, но, выйдя из купе, встретилась с высоким темноволосым мужчиной в пальто и в шляпе. Она дала Аде деньги и велела ехать в отель и там ждать дальнейших указаний. Про пропавшую шкатулку она ничего не знает, но Рут везла с собой много драгоценностей, в том числе и рубины, подаренные отцом.
В сумочке Рут полиция находит письмо от графа де ля Рош, в котором он упоминает рубины и предлагает уехать на Иерские острова. Ван Алдин рассказывает об отношениях дочери и авантюриста графа, которого полиция с удовольствием посадила бы за решётку. Он считает, что граф, узнав про рубины, ограбил Рут и убил её, но Пуаро не согласен: люди типа графа не способны на убийство, да и улику — письмо он не уничтожил. Детектив больше подозревает Дерека, который ехал вместе с Рут в одном поезде и очень удивился, когда узнал, что она там и что её убили.
Пуаро встречается с графом, который ничего не знает об убийстве. Он сообщает, что должен был встретиться с Рут в Париже, но она изменила планы и они должны были встретиться на островах. Во время убийства он был дома.
Полиция допрашивает Дерека, который сообщает, что видел жену в последний раз недели три тому назад, но знает об украденных рубинах. Пуаро не понимает, откуда ему это известно. К удивлению Дерека, в Ницце находится Мирель. Она уверена, что это он убил Рут и сделал это ради неё. Дерек объявляет, что между ними всё кончено.
Граф обманул Пуаро, когда сказал, что во время убийства был дома. Он просит слуг подтвердить его алиби. Мирель приходит к графу, предлагая ему сообщить в полицию, что Рут убил Дерек, ведь полиция подозревает графа, а у неё есть доказательства вины Дерека. Достав из тайника пакет, граф отправляет его по почте. Вернувшись, он видит, что тайник открывали.
Между Катариной и дочерью леди Темплин Ленокс завязывается дружба. Ленокс неравнодушна к Дереку, который симпатизирует Катарине. Катарина сообщает Пуаро, что видела, как Дерек входил в купе Рут. Ещё она заметила, как в Лионе вышел из поезда молодой человек в пальто, но графа она не видела.
Найтон, познакомившись с Катариной, начинает за ней ухаживать. Ленокс знакома с Найтоном: он во время войны лежал в госпитале её матери с раненной ногой. Врачи считали, что после ранения он не будет хромать, но ошиблись: он слегка прихрамывает. Найтон восхищается Пуаро как детективом и не сомневается, что тот докопаешься до истины. Случайно Найтон упоминает про кражу драгоценностей, которую полиция так и не раскрыла.
Катарина сообщает Пуаро какого мнения о нём Найтон.
Пуаро показывает Катарине портсигар с буквой «К», найденный в купе Рут. У Рут в сумочке был свой портсигар, а чей этот? Катарина отрицает, что её, Дерек тоже. Также он отрицает, что заходил в купе Рут.
Пуаро видит в Ницце грека Папаполоуса, который специализируется на покупке краденных драгоценностей. Накануне полиция обыскала дом графа, но ничего не нашла. Следя за графом, Пуаро обнаружил, что тот послал по почте посылку в Париж. В посылке были рубины, но они оказались поддельные.
Пуаро просит Папаполоуса о помощи: все краденные драгоценности проходят через его руки, а через похищенные рубины он планирует выйти на убийцу. Грек намекает ему на лошадь по кличке Маркиз, и знаменитый детектив отправляет запрос о преступнике Маркизе в Скотланд-Ярд.
Пуаро интересует мужчина в пальто, которого видела в поезде Ада. На улице было холодно, может человек собрался выйти и надел пальто? Ада не знает. Знаменитого детектива также интересует портсигар. Ада считает, что её хозяйка подарила его мужу. Пуаро предполагает, что Рут рассказала графу о рубинах, тот изготовил фальшивые, чтоб подменить, но не успел, кто-то его опередил.
Ада сообщает Ван Алдину, что подумала и теперь уверена, что в купе к Рут заходил Дерек. Узнав об этом, Пуаро считает, что расследование продвинется.
Граф требует у Дерека деньги за молчание: Мирель сообщила ему о доказательствах вины Дерека. Мирель требует от Дерека, чтоб он к ней вернулся. Она знает, что когда он выходил из купе Рут, та была уже мертва. Мирель знает ещё кое-что, но пока молчит.
Дерек признаётся Катарине в любви. Он, действительно, был в купе Рут, хотел с ней поговорить, но увидев её спящей, лежащей лицом к стене, передумал.
Найтон начинает хромать. Он также признаётся Катарине в любви. Найтон сообщает Пуаро, что Мирель хотела встретиться с его хозяином, но тот отказался.
Пуаро встречается с танцовщицей. Она сообщает, что видела как Дерек входил в купе Рут. Он сам ей признавался, что хотел убить жену. Пуаро интересуется, почему она считает, что Рут уже была мертва в тот момент. Мирель отвечает, что слышала. Дерека арестовывают. Полиция также заинтересована в том, чтобы арестовать Маркиза.
Дочь грека сообщает Пуаро, что рубины находятся у отца, продала их ему какая-то женщина. Маркиза она видела, но опознать его не сможет.
Катарина и Ван Алдин возвращаются в Англию.
Пуаро приезжает домой к графу и выясняет у слуг, что во время убийства Рут его дома не было. Затем детектив посещает Мирель. Она признаётся, что заходила в купе Рут, когда та была уже мертва.
Катарина случайно находит старую газетную вырезку, которая её заинтересовывает. Пуаро наводит справки об актрисе Китти Кидд, которая имела успех у публики, но ушла со сцены, подцепив какого-то аристократа, маркиза.
Пуаро встречается с Катариной. Он понимает, что девушка влюбилась в Дерека и хочет помочь. Всё указывает на то, что Дерек убийца, но почему изуродовали лицо? Это не похоже на Дерека. Катарина отдаёт знаменитому детективу газетную вырезку.
Пуаро сообщает Ван Алдину, что Дерек невиновен и просит его снова поехать «Голубым поездом» на Ривьеру. Во время поездки знаменитый детектив понимает, что произошло. Он объявляет Ван Алдину имя убийцы — это Найтон, который известен под прозвищем Маркиз. Горничная Рут Ада, она же Китти Кидд, была его сообщницей.
Приехав в Париж по поручению ван Алдина, Найтон сел в «Голубой поезд», зашёл в купе Рут и задушил её. Забрав шкатулку с рубинами, Найтон сошёл с поезда. Ада переоделась в одежду Рут и загримировалась. Проводник принёс ужин, думая, что в купе находится Рут.
Чтоб проводник не заподозрил, что накануне принёс ужин другой женщине, Рут изуродовали лицо. Мёртвую Рут сначала спрятали в пледах, поэтому там были её волос, а потом Ада положила труп на полку, лицом к стене, а сама в мужском костюме вышла в Лионе и уехала в Париж. Это её видела Катарина на перроне в Лионе.
В Париже Ада отдала Найтону драгоценности, которые он привёз в Ниццу и отдал греку. Чтобы скрывать, кто он, Найтон симулировал хромоту. А в газетной вырезке, которую нашла Катарина, писалось о похищении драгоценностей у леди Темплин, как раз в то время, когда Найтон лежал в её госпитале.
Поняв, что портсигар в купе принадлежит Найтону, так как первая буква его фамилии «К» и учитывая, что Ада сначала ничего не знала, а потом решила, что в купе заходил Дерек, знаменитый детектив понял, что её кто-то проинструктировал.
Дерек выходит из тюрьмы и приезжает к Катарине. Пуаро успокаивает расстроенную Ленокс.