法國大偵探亞森·羅蘋來到巴黎，化名拉烏爾·德·利梅齊男爵。
這天，他在林蔭道上散步，走過體育館時，隻見一個留小胡子的高個子中年人，在跟蹤一位高雅漂亮的英國女士。拉烏爾也緊緊尾隨在他們之後。
英國女士走進貢哥迪亞大旅館，拉烏爾也走了進去。晚上，拉烏爾隨同那位女士登上了從巴黎開往蒙特卡洛的快車，並同住5號車廂的一個包房。拉烏爾看見有個青年人和一個碧眼法國女郎也上了車，住在離他們不遠的包房裏。商人羅博兄弟和另一個男人住進了4號車廂的一個包房。
拉烏爾對英國女士說：“小姐，您被跟蹤了。”英國女士說：“我知道，跟蹤者叫瑪萊斯加，可您不也在跟蹤我嗎？而且您的真實姓名並不叫拉烏爾·德·利梅齊，它隻是您眾多的化名之一。您的真實姓名是亞森·羅蘋，是從中亞來的探險家。我的話不錯吧？
”拉烏爾很驚訝。原來，這位小姐叫培尼菲爾特，是百萬富翁的女兒，職業是國際強盜組織的頭兒，這次去蒙特卡洛就是去組織一項盜竊活動的。
夜深了，他們進入了夢鄉。這時，3個頭戴麵罩、身穿灰色長罩衣的人溜進了他們的包房，捆綁了他們，還把他們的嘴堵上了。拉烏爾醒來時，發現有兩個蒙麵人正從他們包房門口經過，一個人的麵罩掀開了，原來是個碧眼女郎。培尼菲爾特小姐已經氣息奄奄，不一會兒，就死了。
車進站了，探長瑪萊斯加（就是白天跟蹤英國女士的中年人）來到出事現場。警察給拉烏爾解開了繩子。這時，憲兵隊長報告說：抓到一個小個子歹徒，已鎖在車站行李房，另一個跑了。人們又在4號車廂的一個包房裏發現了羅博兄弟的屍體。車廂裏一片混亂。
拉烏爾偷偷溜進行李房，見到的正是那位碧眼女郎。拉烏爾割斷了捆綁她的繩子，她還以為拉烏爾是她同包房的年輕人紀堯姆呢。拉烏爾背著她出了車站，來到一片樹林裏，剛把她放下，她就在黑暗中逃得沒了蹤影。
脫了險的碧眼女郎躲進了聖瑪麗亞修女院。這一天，她來到小樹林涼亭前，又遇到了拉烏爾。她對拉烏爾述說了自己的身世。原來她叫奧蕾莉，是內政部司法事務局長布雷雅克的繼女，她繼承了外祖父的一大筆財產。為了她的財產，紀堯姆（前麵提到的年輕人，也是盜賊）、瑪萊斯加，還有她的繼父都在纏著她。她還說，車上的凶殺案是紀堯姆幹的。
拉烏爾聽了她的敘說很同情她，決心保護她。他給她買了一張回巴黎的車票把她送走了。不久，拉烏爾也回到巴黎，並在布雷雅克寓所對麵的公寓裏租了一套房子，隨時注視著對麵的動靜。
有一天，瑪萊斯加帶著幾名警察來拘捕拉烏爾，說他就是列車上的凶手。其實，現在在屋裏坐著的是個假扮的拉烏爾，真的拉烏爾正在那幾名警察中間，他化名叫蘇維諾。