Rachel Watson (Emily Blunt) es una mujer recién divorciada, y con ciertos problemas con la bebida. Cada día, ella toma el tren para ir trabajar a Nueva York, y cada día el tren pasa por su antigua casa. En esa casa ahora vive su marido con su nueva esposa y su hijo.

Para no ahogarse en sus propias penas, Rachel decide concentrarse en mirar a una pareja, Megan (Haley Bennett) y Scott Hipwell (Luke Evans), que viven unas casas más abajo de la que era la suya. Comienza entonces a crear en su cabeza una maravillosa vida de ensueño sobre esta familia aparentemente perfecta. Todo cambia cuando una mañana Rachel, desde la ventana del tren, es testigo de un impactante suceso. Será entonces cuando se vea envuelta en un misterioso y desconcertante caso.