Het is het jaar 2031 in een post-apocalyptisch tijdperk. Na een mislukt experiment om de opwarming van de aarde te stoppen zorgt een ijstijd er voor dat alle mensen op aarde sterven, behalve de bewoners van de 'Snow Piercer'. Deze trein, aangedreven door een uit zichzelf bewegende motor die nooit stopt, reist de koude wereld rond met aan boord een groep overlevenden. De trein is opgedeeld in verschillende klassen wat er voor zorgt dat er aan boord een revolutie ontstaat.
De ruige rechercheur "Popeye" Doyle zit een gladde Franse drugsdealer achterna die mogelijk de werkende kracht is van een zeer grote heroïnesmokkeloperatie.
Frankrijk, augustus 1944. De geallieerden naderen Parijs. De Duitse kolonel Von Waldheim wil daarom zo snel mogelijk de waardevolle Franse kunstschatten per trein naar Duitsland vervoeren. Het Franse verzet krijgt orders uit Londen om dit transport te saboteren om te voorkomen dat het Duitsland bereikt, maar de schilderijen moeten onbeschadigd blijven.
Bezorgd over het cocaïnegebruik van zijn vriend, verleidt Dr. Watson Sherlock Holmes om naar Wenen te reizen, waar Holmes onder de hoede van Sigmund Freud komt. Freud probeert de mysteries van Holmes' onderbewustzijn op te lossen, terwijl Holmes zich wijdt aan het oplossen van een mysterie rond de ontvoering van Lola Deveraux.
Criminelen in Tokio plaatsen een bom in een trein en eisen 5 miljoen dollar. De bom ontploft als de trein langzamer dan 80 km/uur gaat rijden, tenzij het losgeld wordt betaald. De politie probeert de criminelen te vinden en er tegelijkertijd achter te komen hoe de bom onschadelijk gemaakt kan worden.
Tijdens de Amerikaanse burgeroorlog krijgt een spion uit het Noorden de opdracht om samen met een aantal collega's naar het Zuiden te trekken om daar een belangrijke spoorweg te saboteren. Helaas gaat hun plan helemaal de mist in als de machinist van de locomotief die ze hebben gestolen zich met hand en tand tegen de Noorderlingen verzet.
