Rufus Van Aldin, milliardaire américain, est à Paris pour récupérer un collier célèbre, le Cœur de feu pour l’offrir à sa fille Ruth Kettering. De retour à Londres, et une fois le collier offert, Ruth se livre sur sa situation conjugale : son mari, Derek, a une liaison avec la danseuse Mireille et Ruth ne le supporte plus. Rufus la pousse à demander le divorce, ce qui place l’époux infidèle dans une situation financière plus que délicate. Parallèlement nous suivons Katherine Grey dans un petit village d’Angleterre. Femme de compagnie depuis des années, sa maîtresse vient de mourir et lui lègue toute sa fortune. Elle est prête à prendre sa vie en main et décide, suite à l’invitation d’une lointaine cousine de sa maîtresse, Lady Tamplin, de partir pour Nice par le fameux Train Bleu, un train de luxe. Mais elle n’est pas la seule à prendre ce train : Derek a également pris un billet, mais aussi Ruth qui doit retrouver un ancien amour, le Comte de La Roche. Katherine et Ruth font connaissance dans le train et Mrs Kettering s’épanche. Dans la nuit, aux alentours de Lyon, Ruth est retrouvée morte dans son compartiment, le visage défiguré par un coup violent, et son collier a disparu. La police française s’empare de l’affaire, mais Hercule Poirot était lui aussi dans le train. Engagé par Van Aldin, il va mener l’enquête.