"The Girl on the Train" menceritakan tentang seorang wanita yang telah mengalami perceraian bernama Rachel (Emily Blunt). Dia selalu menggunakan kereta setiap hari untuk pergi berkerja. Kereta yang membawanya selalu melewati rumah lamanya yang sekarang sudah ditinggali oleh mantan suami berserta istri baru dan anaknya. Dia mencoba untuk melupakan rasa sakitnya hingga bertemu dengan Megan (Haley Bennett) dan Scott Hipwell (Luke Evans). Rachel mecoba bermimpi untuk menjadi keluarga sempurna dan bahagia.
Suatu pagi ketika kereta melintas seperti biasa, Rachel melihat sesuatu hal yang mengejutkan. Keesokannya dia terbangun dengan rasa mabuk berat dan berbagai luka serta memar di tubuhnya. Rachel benar-benar tidak ingat yang terjadi pada dirinya, dia hanya yakin sesuatu yang buruk telah terjadi. Rachel lebih terkejut lagi ketika mengetahui Megan dilaporkan menghilang. Kasus ini membuat Rachel mencari tahu apa yang terjadi dengan Megan dan apa yang telah mereka lakukan di malam itu.