《火车上的女孩》讲述了蕾切尔（艾米莉·布朗特 Emily Blunt 饰）的故事。由于长期受严重酒精依赖困扰，她失去了丈夫汤姆（贾斯汀·塞洛克斯 Justin Theroux 饰）。汤姆后来与安娜（丽贝卡·弗格森 Rebecca Ferguson 饰）结婚，两人不久后有了孩子，这让无法生育的蕾切尔深受打击。
蕾切尔每天乘火车进城，途中总会透过车窗观察沿线的房屋。其中，住在舒适大宅里的梅根（海莉·贝内特 Haley Bennett 饰）尤其引人注目。年轻漂亮的梅根与丈夫斯科特（卢克·伊万斯 Luke Evans 饰）看起来恩爱幸福，拥有蕾切尔一直渴望却始终无法拥有的生活。直到有一天，蕾切尔意外发现梅根正在与一名陌生男子私会。没过多久，报纸便刊登了梅根失踪的消息。
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