Rachel (Emily Blunt), uma alcoólatra desempregada e deprimida porque não consegue engravidar, sofre pelo seu divórcio recente com Tom (Justin Theroux), que se casou com Anna (Rebecca Ferguson) com quem teve uma filha. Todos os dias, Rachel viaja de trem no mesmo horário e da janela observa uma casa ao lado da ferrovia, em que mora Megan (Haley Bennett), uma mulher recém-casada com Scott, (Luke Evans) traumatizada por um grave acontecimento na adolescência que se refletia na sua confusa vida sexual.  

O filme A garota no trem é uma transposição para o cinema do livro do mesmo nome. A trama se desenrola num cenário meio parado, rotineiro, onde se espelha a forma de vida da atualidade, vazia de sentido sem a participação do espírito, cuja motivação mais forte é o atendimento das necessidades básicas. Desanimada, Rachel se refugiava no alcoolismo. Percebe-se que a convivência dos casais tinha na sexualidade o principal elo, e como pensava Rachel, aquela parecia uma cidade feita para as mulheres ficarem grávidas. A questão é que quando a atração sexual vai embora, os casamentos entram em crise. 

Assim como grande parte dos seres humanos, os personagens do filme pensam que a vida tem como prioridade trabalhar e atingir os objetivos terrenos, como aquisições, consumo e lazer. A monotonia é quebrada pelo desaparecimento de Megan e pouco tempo depois seu corpo é encontrado.

Sensibilizada, Rachel recorre à polícia para falar de suas observações feitas da janela do trem, e se vê envolvida no mistério. O problema é que ela sofre um apagão mental devido ao uso abusivo do álcool e não se lembra  do que aconteceu. Por isso começam a recair suspeitas sobre o que ela teria feito num de seus dias de delírio alcoólico.

O filme dá uma reviravolta quando Rachel decide combater o alcoolismo e vai aos poucos recuperando a lucidez, a força de vontade e a sua dignidade de essência feminina.