火車上的陌生人
網球明星蓋伊·海因斯（法利·葛倫格 飾）正坐火車回老家梅特卡夫，準備和出軌的妻子米里亞姆談離婚。他想盡快結束這段婚姻，好和參議員的女兒安妮·莫頓正式在一起。
在車廂裡，一個名叫布魯諾·安東尼（羅伯特·哈德森·華克 飾）的陌生人主動搭訕。布魯諾衣著光鮮、談吐風趣，但言行中透著一股令人不安的偏執。他顯然做過功課——他知道蓋伊的職業、婚姻狀況、甚至和安妮的關係。
在閒聊中，布魯諾拋出了一個看似玩笑的提議：交換謀殺。布魯諾恨自己的父親，蓋伊想擺脫妻子。如果布魯諾替蓋伊殺掉米里亞姆，蓋伊替布魯諾殺掉他父親，兩起謀殺就都沒有動機可查——完美犯罪。
蓋伊當然沒當真，禮貌性地敷衍了幾句就下了車。但布魯諾是認真的。
布魯諾的行動
布魯諾跟蹤米里亞姆來到一個遊樂場。在旋轉木馬和摩天輪的燈光下，他尾隨她走到一個僻靜的小島上，將她掐死。希區考克用米里亞姆掉落的眼鏡作為反射鏡面，映照出這場謀殺——一個令人毛骨悚然的經典鏡頭。
布魯諾完成了”他的那一半”，現在輪到蓋伊了。他聯絡蓋伊，告知米里亞姆已死，並催促他去殺自己的父親。
蓋伊驚恐萬分。他完全沒有答應過任何協議，但布魯諾手裡握著一個致命的籌碼：蓋伊在火車上留下的打火機。布魯諾威脅說，如果蓋伊不動手，他就會把打火機放到犯罪現場，栽贓蓋伊是殺妻兇手。
步步緊逼
蓋伊陷入了噩夢般的困境。他不能報警——因為他確實有殺妻的動機，警方本來就在懷疑他。他不能答應布魯諾——他不是殺人犯。而布魯諾越來越瘋狂，甚至開始出現在蓋伊的社交場合，跟蹤他、監視他、用眼神威脅他。
在一個派對上，布魯諾向一位老太太示範如何掐人脖子時，突然看到了安妮的妹妹芭芭拉——她戴著和米里亞姆一樣的眼鏡。這觸發了布魯諾的閃回，他進入恍惚狀態，真的開始用力掐住了那位老太太的脖子。
安妮注意到了妹妹和米里亞姆之間的相似之處，聯想到了一切。她質問蓋伊，蓋伊終於坦白了整件事。
與時間賽跑
蓋伊假裝同意布魯諾的計劃，在電話中答應去殺布魯諾的父親。當晚他潛入布魯諾家，但不是去殺人——他想警告布魯諾的父親他的兒子很危險。然而他走進臥室時，發現等著他的不是老安東尼先生，而是布魯諾本人。
布魯諾識破了蓋伊的意圖，決定自己動手栽贓。他帶著蓋伊的打火機趕往梅特卡夫的遊樂場，打算把打火機放到米里亞姆被殺的現場。
蓋伊得知後瘋狂趕往遊樂場。一場與時間的賽跑開始了——他必須在布魯諾到達犯罪現場之前截住他。
旋轉木馬上的對決
兩人在遊樂場的旋轉木馬上展開了最後的搏鬥。在激烈的扭打中，一個遊樂場工人試圖停下旋轉木馬，卻誤觸了控制裝置，導致旋轉木馬失控加速旋轉。
旋轉木馬在高速運轉中脫離了底座，轟然坍塌。布魯諾被壓在殘骸之下，身受致命傷。
警察趕到時，那個遊樂場工人指認布魯諾就是他之前在米里亞姆遇害當晚見過的人。布魯諾至死都拒絕承認罪行，但當他的手掌在死後鬆開時，蓋伊的打火機從掌心掉了出來——這成了證明蓋伊清白、布魯諾有罪的關鍵證據。
蓋伊終於擺脫了噩夢。影片最後一個場景頗具希區考克式幽默：蓋伊和安妮坐在火車上，一個牧師認出了蓋伊，試圖和他攀談。蓋伊想起了上次和陌生人聊天的慘痛教訓，立刻拉著安妮起身離開了車廂。