Rachel Watson (Blunt) se ha quedado bastante tocada tras su reciente divorcio y, para luchar contra la rutina y el vacío, fantasea al mirar por la ventana del tren que coge a diario de camino al trabajo. Los recuerdos de cómo era su vida inundan su mente al pasar por delante de la casa en la que vivía con su ex marido Tom (JUSTIN THEROUX de The Leftovers, Los diez locos mandamientos), y que él ahora comparte con su nueva esposa Anna (REBECCA FERGUSON de Misión imposible: Nación secreta, próximamente The Snowman) y su bebé.

Como vía de escape, empieza a obsesionarse con los habitantes de otra de las casas que ve desde el tren, prácticamente contigua a la que fue su hogar. Allí, ajenos a la mirada de Rachel, viven Megan (HALEY BENNETT de The Equalizer (El protector), Los siete magníficos) y Scott (LUKE EVANS de Drácula, la leyenda jamás contada y próximamente La bella y la bestia). Parecen la típica pareja de vida acomodada que se ha mudado a las afueras.

Con el alcohol como compañero de fatigas, Rachel lleva meses imaginándose cómo es la vida de Megan y Scott, componiendo idílicas escenas cotidianas basadas en las furtivas imágenes que contempla de la pareja tomando café por la mañana o relajándose por la tarde charlando en el jardín. La joven representa todo lo que quiso ser Rachel durante su matrimonio con Tom, una relación de la que no consigue desengancharse.

Un día, de camino al trabajo, Rachel es testigo de un impactante suceso en el jardín de Megan y Scott. Megan desaparece poco tiempo después y Rachel acude a la policía para contar lo que cree haber visto. ¿Es un testigo fiable o está involucrada en el delito que ella misma ha revelado? Cuando un voyeur traspasa la delgada línea que separa el interés de la obsesión, podría descubrir al asesino... o acabar con las manos manchadas de sangre inocente.

Completan el reparto de La chica del tren ALLISON JANNEY (Criadas y señoras, Espías) como la detective Riley, quien sospecha que Rachel está involucrada en la desaparición de Megan; EDGAR RAMIREZ (Hands of Stone, La noche más oscura (Zero Dark Thirty) en el papel del Dr. Kamal Abdic, el psicólogo al que acude Rachel en busca de ayuda; LAURA PREPON (Orange Is the New Black, Aquellos maravillosos 70) como Cathy, la compañera de piso que está muy quemada con Rachel; y LISA KUDROW (The Comeback, Malditos vecinos) en el papel de Martha, una amiga con la que Rachel ya no tiene relación pero que conoce bien su terrible adicción.