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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, desde la ventana del tren, Rachel es testigo de un impactante y desconcertante suceso, que la llena de rabia. Al día siguiente, se despierta con una resaca terrible, diversas heridas y contusiones, y no recuerda nada de la noche anterior. Además tiene la extraña sensación de que algo malo ha pasado. Poco después descubre en los informativos de televisión que Megan Hipwell ha desaparecido. Rachel se ve envuelta entonces en un misterioso caso, y trata de averiguar qué pasó con Megan, y qué fue exactamente lo que ella misma hizo la noche en que Megan desapareció.