第二次世界大战期间，1942年的冬天，巴黎在德军的占领下。这是一个黑夜与浓雾的时代。巴黎人的日子很不好过，食物定量配给：燃料严重缺乏，饥饿，寒冷，痛苦，孤独，晚上只得到影剧院去，既能取暖，也能暂时逃避一下现实。当时，占领当局实行宵禁，因此演出必须在最后一班地铁前结束，以便人们能搭乘最后一班地铁回家。演员们也聚集在最后一班地铁的车厢里，交谈着各种情况和消息。因此，“最后一班地铁”一词有时代的特征：它与占领时期的巴黎戏剧界的生活紧密相连。
巴黎市中心的蒙玛特剧院的经理兼导演吕卡斯·斯坦奈是一个德国犹太人，1933年为逃避纳粹的种族迫害而逃亡到巴黎。德军占领巴黎后，使他不得不计划再次逃亡。但由于某种原因，他的逃亡南美的计划没有实现，而只得藏身在剧院的地下室，对外伪称已离开巴黎。他把领导剧院的重任交给他的妻子、美丽而著名的女演员玛丽恩·斯坦奈。他的生活也是靠她每天晚上送来从黑市上买来的食物维持。在这样困难而危险的情况下，剧团仍旧坚持把戏演下去。玛丽恩领导剧团人员继续排演一出她丈夫已经准备好的挪威名剧《失踪的女人》。在排戏的时候，藏身在地窖里的吕卡斯，通过一个由暖气管道改装成的通风系统，一句句地倾听着舞台上的排练，从而实施他的远距离指挥。
在这出戏中，扮演男主角的是新来的青年演员贝尔纳·格朗惹。女主角由玛丽恩扮演。他们在排戏时配合默契，真切，交融。吕卡斯在地窖里认真细听排戏的过程中，觉察到了贝尔纳与玛丽恩之间有种微妙的感情变化。他是一个有教养而明智的人，考虑到自己的命运难免最终被活埋在地窖中，因此，为了妻子的幸福想帮助促成玛丽恩与贝尔纳之间的爱情。
那时候，戏剧界有一条著名的规矩：“戏必须演下去。”为了“把戏演下去”，为了剧院的生存，玛丽恩与全剧团人员需要对付各种棘手的问题：如纳粹当局的严格的戏剧检查；合作分子（法奸）的破坏、刁难；盖世太保的突然搜捕……有一次彩排，亲纳粹的报刊《处处有我》的戏剧评论员达克西阿，一个对剧团的生存举足轻重的人物，故意迟到。第二天发表了一篇粗暴的评论，指责剧团排演这出戏是受犹太人的影响。血气方刚的青年演员贝尔纳为此把达克西阿痛打了一顿。
又有一次，盖世太保突然来到剧院来搜查，甚至查到地窖，几乎发现吕卡斯的藏身之处。幸亏剧团同仁用种种手法拖延时间，使吕卡斯得以躲过。但贝尔纳却发现了藏在地窖中的吕卡斯。
玛丽恩为了剧团的生存，不得不以两面派手法周旋于占领当局和合作分子之间，但贝尔纳不了解她的苦心而激烈地反对她这种态度。当贝尔纳在地下室发现了玛丽恩的丈夫吕卡斯以后，就毅然离开剧院投身抵抗运动。
1944年6月，盟军在诺曼底登陆，德国法西斯败局已定。吕卡斯从隐藏了813天的地下室走出来。1945年战争结束后，吕卡斯重新导演新戏，贝尔纳也重返剧院演出，仍和玛丽恩配戏。在观众热烈的掌声中，玛丽恩一手拉着贝尔纳，一手拉着吕卡斯，向观众频频致礼谢幕。
戏在演下去。历尽种种艰辛，戏剧界那条著名的规则“戏必须演下去”实现了。尽管道路曲折，艺术家们坚持献身于艺术的精神始终不渝。人们和睦相处，生活也在继续。