法国大侦探亚森·罗苹来到巴黎，化名拉乌尔·德·利梅齐男爵。
这天，他在林阴道上散步，走过体育馆时，只见一个留小胡子的高个子中年人，在跟踪一位高雅漂亮的英国女士。拉乌尔也紧紧尾随在他们之后。
英国女士走进贡哥迪亚大旅馆，拉乌尔也走了进去。晚上，拉乌尔随同那位女士登上了从巴黎开往蒙特卡洛的快车，并同住5号车厢的一个包房。拉乌尔看见有个青年人和一个碧眼法国女郎也上了车，住在离他们不远的包房里。商人罗博兄弟和另一个男人住进了4号车厢的一个包房。
拉乌尔对英国女士说：“小姐，您被跟踪了。”英国女士说：“我知道，跟踪者叫玛莱斯加，可您不也在跟踪我吗？而且您的真实姓名并不叫拉乌尔·德·利梅齐，它只是您众多的化名之一。您的真实姓名是亚森·罗苹，是从中亚来的探险家。我的话不错吧？”拉乌尔很惊讶。原来，这位小姐叫培尼菲尔特，是百万富翁的女儿，职业是国际强盗组织的头儿，这次去蒙特卡洛就是去组织一项盗窃活动的。
夜深了，他们进入了梦乡。这时，3个头戴面罩、身穿灰色长罩衣的人溜进了他们的包房，捆绑了他们，还把他们的嘴堵上了。拉乌尔醒来时，发现有两个蒙面人正从他们包房门口经过，一个人的面罩掀开了，原来是个碧眼女郎。培尼菲尔特小姐已经气息奄奄，不一会儿，就死了。
车进站了，探长玛莱斯加（就是白天跟踪英国女士的中年人）来到出事现场。警察给拉乌尔解开了绳子。这时，宪兵队长报告说：抓到一个小个子歹徒，已锁在车站行李房，另一个跑了。人们又在4号车厢的一个包房里发现了罗博兄弟的尸体。车厢里一片混乱。
拉乌尔偷偷溜进行李房，见到的正是那位碧眼女郎。拉乌尔割断了捆绑她的绳子，她还以为拉乌尔是她同包房的年轻人纪尧姆呢。拉乌尔背着她出了车站，来到一片树林里，刚把她放下，她就在黑暗中逃得没了踪影。
脱了险的碧眼女郎躲进了圣玛丽亚修女院。这一天，她来到小树林凉亭前，又遇到了拉乌尔。她对拉乌尔述说了自己的身世。原来她叫奥蕾莉，是内政部司法事务局长布雷雅克的继女，她继承了外祖父的一大笔财产。为了她的财产，纪尧姆（前面提到的年轻人，也是盗贼）、玛莱斯加，还有她的继父都在缠着她。她还说，车上的凶杀案是纪尧姆干的。
拉乌尔听了她的叙说很同情她，决心保护她。他给她买了一张回巴黎的车票把她送走了。不久，拉乌尔也回到巴黎，并在布雷雅克寓所对面的公寓里租了一套房子，随时注视着对面的动静。
有一天，玛莱斯加带着几名警察来拘捕拉乌尔，说他就是列车上的凶手。其实，现在在屋里坐着的是个假扮的拉乌尔，真的拉乌尔正在那几名警察中间，他化名叫苏维诺。
警察把假拉乌尔带走了。当天下午，玛莱斯加带着三个警察来到布雷雅克家。玛莱斯加对布雷雅克说：“你的继女杀了列车上的三个人。”两个人就争吵起来了。这时奥蕾莉闻声走进来。苏维诺剥去脸上的红色，露出拉乌尔的本样。他说：“你们别吵了！我来说说事情的真相，杀人凶手不是奥蕾莉。”玛莱斯加惊愕得倒退了两步说：“这是怎么搞的？”
拉乌尔说：“很简单，被关进去的那个人是我的替身，是我雇来的。他和我长得很像。是我扮成苏维诺，并让你去找拉乌尔。而真正的拉乌尔一直在你身边。”接着他说：“18年前，在瑟堡有四个人经常在咖啡馆会面，一个是布雷雅克——海关检查署的秘书，一个叫昂西番，一个叫罗博，另一个叫儒都。不久，后三个人因犯罪被捕入狱。布雷雅克来到巴黎，和年轻的寡妇，也就是小奥蕾莉的妈妈结了婚。奥蕾利的外祖父是个外省发明家，掌握了一批秘密珍宝。他把这个秘密告诉了奥蕾莉和她的妈妈。布雷雅克为了知道这批珍宝的藏处，逼死了奥蕾莉的妈妈。后来，他在侦查一起窃案时，碰巧缉拿了曾入狱又出狱作案的三个伙伴。他让他们到外省去逼问奥蕾莉外祖父，让他说出珍宝的藏处。奥蕾莉的外祖父也被折磨而死。之后，昂西番逃走了。
“奥蕾莉经不住布雷雅克等人的折磨，决心逃走。这时昂西番的儿子纪尧姆在其母亲的唆使下，来到奥蕾莉面前，假意慈悲，和奥蕾莉一起登上了火车。其实，纪尧姆此行还有一个目的，就是参加培尼菲尔特小姐领导的盗窃活动。此时，儒都和罗博兄弟已探知纪尧姆的行踪，就在同一天登上同一列火车。他们想劫走奥蕾莉。快车上的情形是：5号车厢最后一个包房是培尼菲尔特小姐和拉乌尔，另一头的一个包房里是奥蕾莉和纪尧姆，罗博兄弟和儒都三个人在4号车厢。车开两小时后，4号车厢的三个人戴上了面罩，穿着灰色长袍，闯入5号车厢最后一个房间，里面正好是一男一女，他们以为这就是奥蕾莉和纪尧姆，就下了手。当卡住女的脖子时，发现搞错了。他们又闯进另一头的那个房间，纪尧姆一听到动静就先开了两枪，罗博兄弟被打死，儒都跑了。奥蕾莉吓得几乎晕倒，只好听从纪尧姆的指示穿上长袍，戴上面罩，跳下火车。一小时后，他俩在树林中被追逐，奥蕾莉被捕关进了行李房。”
事情已真相大白，玛莱斯加垂头丧气地走了，他说该去追捕纪尧姆和儒都了。
拉乌尔扶着奥蕾莉走下楼梯。只听一声枪响从楼上传出，可以想见，是恶贯满盈的布雷雅克自杀了。