À l'arrivée à Paris du train de Marseille, on trouve dans un des compartiments une jeune fille assassinée. L'inspecteur Grazzi, chargé de l'enquête, fouille, avec son assistant Jean-Lou, le passé de la victime ainsi que des cinq personnes qui voyageaient dans le même compartiment. Trois de ces témoins, deux hommes et une femme, tombent peu après sous les balles d'un mystérieux tueur. Avec l'aide d'un des voyageurs, Grazzi parvient à empêcher un quatrième meurtre et à démasquer le criminel.