Der Auftrag von Ladybug (Brad Pitt) ist nicht kompliziert: Im Shinkansen, dem japanischen Expresszug mit dem Spitznamen Bullet Train, soll er einen Koffer sichern und an der nächsten Station aussteigen. Der Zug, der mit mehr als 300 km/h von Tokio nach Morioka donnert, führt unter den Passagier*innen jedoch noch weitere Auftragsmörder. Lemon (Brian Tyree Henry) und Tangerine (Aaron Taylor-Johnson) sind ein tödliches Duo, die ebenso den Koffer sicherstellen sollen, der „Prince“ (Joey King) hat einen Ruf zu verteidigen und ein weiterer Auftragsmörder namens Kimura (Andrew Koji) will sich rächen.

Nachdem zwei Leichen im Zug entdeckt werden, merken die Auftragsmörder schon bald, dass sie aus den gleichen Gründen im Zug sind, jedoch unterschiedliche Ziele verfolgen. Je öfter der Zug hält, desto mehr Killer steigen hinein und das Chaos nimmt zu. Nur einer wird die Endstation lebend erreichen.