午夜食人列车讲述了摄影师里昂·考夫曼（Bradley Cooper 布拉德利·库柏 饰）的故事。为了拍出令画廊主人苏珊（Brooke Shields 波姬·小丝 饰）满意、足够震撼的作品，这位名不见经传的摄影师每晚游走在纽约阴暗的街巷之间。一天晚上，里昂跟踪几名黑人来到地铁站，并出手救下了一名遭他们骚扰的美丽日本女子。然而第二天，他却从报纸上得知，这名女子已经失踪。
里昂将自己掌握的线索提供给警方，却没有得到重视。与此同时，他拍摄的作品获得了苏珊的认可，而对真相的好奇也驱使他继续调查多年来发生在某条地铁线上的一连串失踪案件。调查过程中，里昂逐渐注意到一个常常出现在地铁站里的神秘男人（Vinnie Jones 维尼·琼斯 饰）：他西装革履，神情严肃，却散发着令人不寒而栗的气息……
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