W trakcie podróży rozmowę z Poirotem rozpoczyna pewien amerykański milioner, Samuel Ratchett. Szuka on kogoś, kto wykryje autora pogróżek, jakie od pewnego czasu dostaje. Choć proponuje Poirotowi wysokie honorarium, nie zamierza podjąć się tej sprawy, gdyż Ratchett nie budzi w nim sympatii, a wręcz okazuje się gburem, czym go do siebie skutecznie zraża.
Nazajutrz odnalezione zostają zwłoki Ratchetta, którego ktoś zasztyletował w przedziale. Ciało wygląda na całkowicie zmasakrowane, tak jakby sprawca działał w napadzie furii. Podejrzenie pada na dwunastu pasażerów wagonu. Drzwi do innych przedziałów były bowiem zamknięte, sprawca nie mógł też uciec z miejsca zbrodni, gdyż pociąg utknął w nocy w śnieżnych zaspach w okolicy Bałkanów.
Hercules postanawia wszcząć śledztwo. O pomoc prosi pana Bouca i jednego z pasażerów sąsiedniego wagonu – greckiego lekarza, pana Constantine’a. Podejrzani przesłuchiwani są kolejno w pociągu. Zbiera się więc dosyć ciekawa grupka, w skład której wchodzą:
- Hector MacQueen – młody Amerykanin, będący sekretarzem i tłumaczem ofiary;
- Edward Masterman – Brytyjczyk, kamerdyner ofiary;
- Mary Bebenham – ciemnowłosa młoda Brytyjka, pracująca w Bagdadzie jako guwernantka;
- Pułkownik Robert Arbuthnot – wysoki oficer armii brytyjskiej, właśnie powracający z Indii;
- Księżna Natalia Dragomiroff – rosyjska księżna;
- Hildegarda Schmidt – Niemka, służąca księżnej;
- Hrabia Rudolf Andrenyi – wysoki dyplomata z Węgier, podróżujący do Francji;
- Hrabina Helena Andrenyi – jego młoda żona;
- Greta Ohlsson – kobieta w średnim wieku, misjonarka ze Szwecji, właśnie powracająca do domu z wakacji;
- Carolina Hubbard – pulchna, starsza Amerykanka, pracująca jako nauczycielka w Bagdadzie;
- Antonio Foscarelli – elegancki i bardzo żywiołowy biznesmen z Włoch;
- Cyrus Hardman – postawny mężczyzna, sprzedawca taśm do maszyn do pisania, Teksańczyk.
Prowadzone śledztwo napotyka jednak na liczne utrudnienia, choćby takie, że wszyscy podejrzani mają żelazne alibi. W każdym z przesłuchań pojawia się ktoś, kto twierdzi, że w chwili zbrodni widział daną osobę w innym miejscu niż przedział, w którym dokonano zabójstwa.
Poirot trafia jednak na pewien ślad – jak się później okaże, będzie bardzo istotny dla śledztwa. Okazuje się mianowicie, że Ratchett w rzeczywistości nazywał się Casetti i był poszukiwanym przestępcą. Kierował on szajką porywaczy w głośnej sprawie Armstrongów, kiedy to w okrutny sposób zamordowano córkę Armstrongów – Daisy. Jej matka będąc w zaawansowanej ciąży doznała szoku, na skutek którego nastąpił przedwczesny poród. Matka razem z córką zmarły, a ojciec dowiedziawszy się o wszystkim, w akcie desperacji zastrzelił się. To, co przydarzyło się Armstrongom, wstrząsnęło całym światem, gdyż postrzegano ich jako zacną i ogólnie poważaną rodzinę.
Pytanie, czy w Orient Expressie był ktoś, kto poznał Casettiego i w akcie zemsty za Armstrongów postanowił go zabić?
Detektyw Poirot usiłuje znaleźć rozwiązanie. Tak naprawdę winni zbrodni są wszyscy pasażerowie z wyjątkiem hrabiny Andrenyi, która jednak paradoksalnie mogłaby być główną podejrzaną, bo miała najwięcej powodów, by zabić Ratchetta. Detektyw odkrywa, że każdy z podejrzanych jest w jakimś stopniu spokrewniony z rodziną Armstronngów. A wygląda to następująco:
- Pani Hubbrad – to w rzeczywistości Linda Arden i babcia małej Daisy;
- Hrabia Andrenyi – zastąpił swoją żonę w zabójstwie;
- Pułkownik Arbuthnot – najlepszy przyjaciel Armstronga, z którym zapoznał się jeszcze w czasach służby wojskowej;
- Hector MacQueen – dawny adorator pani Armstrong;
- Księżna Dragomiroff – przyjaźniła się z Lindą Arden i całą rodziną Armstrongów;
- Mary Debenham – była guwernantka małej Daisy;
- Antonio Foscarelli – był szoferem Armstrongów;
- Greta Ohlsson – była pielęgniarką rodziny Armstrongów;
- Hildegarda Schmidt – była kucharką rodziny Armstrongów;
- Mastermann – był kamerdynerem rodziny Armstrongów;
- Cyrus Hardman – były narzeczony pokojówki Armstrongów, którą niesłusznie oskarżono o współpracę z porywaczami i udział w zbrodni, dlatego popełniła samobójstwo;
- konduktor wagonowy – Pierre Michael – był ojcem pokojówki.
Dokonana zbrodnia miał być zatem zemstą na zbrodniarzu. Wszyscy znajomi rodziny Armstrongów zszokowani makabryczną zbrodnią postanowili sami wymierzyć sprawiedliwość. Na długo przed wyruszeniem pociągiem uknuli misterny plan i przystąpili do jego realizacji. MacQueen i Masterman celowo zatrudnili się u Ratchetta, by mieć wgląd w jego harmonogram i by akurat jechał on Orient Expressem tego dnia, co oni. Cała zaś dwunastka bohaterów wykupiła pozostałe miejsca w przedziale i udawała, że w ogóle się nie znają. Nieoczekiwanie jednak Hercules Poirot zajął ostatnie, pozostałe jeszcze miejsce. To jednak nie przeszkodziło im w dokonaniu zemsty na porywaczu. W nocy każdy z nich wślizgnął się do przedziału ofiary i zadał jej po jednym ciosie. Tylko Hrabina Andrenyi z powodu swojej nadmiernej wrażliwości nie brała udziału w morderstwie i pozostała na noc w swoim przedziale. Zastąpił ją jednak jej mąż, który za nią wymierzył cios ofierze.
Zaplanowano, że „przysięgłych” będzie dokładnie dwunastu. Zamierzano też w jakiś sposób upozorować ucieczkę „sprawcy” na następnej stacji. Nie przypuszczano jednak, że pociąg utknie w zaspach i że do planowanej stacji tej nocy w ogóle już nie dojadą. Teraz zdawali sobie sprawę, że nie tak łatwo uda im się oczyścić z podejrzeń. Do końca zamierzali jednak mydlić oczy śledczym i gwarantować sobie nawzajem niepodważalne alibi. Mieli nadzieję, że ten sposób śledztwo zostanie umorzone i nikt z nich nie zostanie zatrzymany.
Hercules Poirot okazał się jednak od nich o wile sprytniejszy. Linda Arden chcąc uratować innych, wzięła na siebie całą winę i powiedziała, że ona jest wyłączną pomysłodawczynią morderstwa. Poirot postanowił jednak okazać winnym litość i wyjątkowo nie oddać ich w ręce policji. Wzruszyła go ich solidarność wobec Armstrongów i rozumiał powody i motywy, które nimi kierowały. Dlatego podjął decyzję, że policji poda fałszywą informację o tajemniczym mordercy, któremu udało się zbiec z pociągu.
Dzięki temu nikt nie miał już poznać prawdziwych okoliczności śmierci Ratchetta.
