Roubaud, sous-chef de gare au Havre, employé modèle, mais ayant été injustement l'objet d'une plainte d'un usager, est monté à Paris, pour se justifier. Sa femme Séverine en a profité pour l'accompagner et faire quelques emplettes. Il apprend de la bouche de Séverine que Grandmorin, devenu son protecteur et président de la Compagnie des chemins de fer, a abusé d'elle dans son enfance. Fou de jalousie, il ne peut le supporter.
Mécanicien sur la ligne Paris-Le Havre, Jacques Lantier, 26 ans, diplômé des Arts et Métiers vient souvent, lorsqu'il est en congé, chez sa marraine Phasie Misard, qui vit dans le logement de fonction du garde-barrière du lieu dit la Croix-de-Maufras, situé sur cette même ligne Paris le Havre. La tâche de garde-barrière est confiée à Misard, son mari et à sa fille Flore. En épousant Misard, Phasie a gardé pour elle un magot de 1 000 francs qu'elle refuse de partager avec lui. Pour pouvoir entrer en possession de l'argent, Misard l'empoisonne lentement en versant du salpêtre dans son sel, mais la tuera finalement avec de la mort aux rats. Après la mort de sa femme, Misard fouille toute la maison mais ne trouvera jamais l'argent. De son côté, Flore, 18 ans, est une jeune fille sauvage, dotée d'une force d'homme, qui repousse toutes les avances de ses soupirants, mais finit par tomber amoureuse de Lantier qui n'aime en fait que sa locomotive, objet de report passionnel. Au moment de posséder Flore, Jacques est en proie à une pulsion meurtrière, qui lui est coutumière, et il s'enfuit pour ne pas la tuer. Par ailleurs, il croit apercevoir un meurtre s'accomplir dans le train qui passe, et qu'il conduit habituellement.
Roubaud et sa femme ont attiré Grandmorin dans le train et l'ont tué. Ils sont d'abord soupçonnés, et Jacques Lantier les reconnaît comme coupables, mais il se laisse fléchir par les yeux implorants de Séverine ...
Le juge Denizet chargé de l'affaire sait par ailleurs que le couple va hériter de la maison (celle où Grandmorin a