Toujours sous le choc de son récent divorce, Rachel Watson meuble ses allers-retours quotidiens vers Manhattan en contemplant le monde à travers la fenêtre de son train de banlieue. Elle passe matin et soir devant la maison qu’elle partageait jadis avec son ex-mari, Tom. Celui-ci y vit désormais avec sa nouvelle femme, Anna, et leur bébé. Pour oublier la vacuité de son existence, Rachel développe une obsession pour les occupants d’une maison située à deux pas de son ancien domicile. Ignorant qu’une inconnue les observe avec envie depuis le train, le couple apparemment parfait formé par Megan et Scott mène une vie tranquille. Pendant des mois, entre deux gorgées de l’alcool qui est devenu son plus fidèle compagnon, Rachel aperçoit la sublime Megan et le séduisant Scott boire leur café à la fenêtre le matin ou rire sur leur véranda le soir, et s’imagine qu’ils vivent dans un monde idyllique. Cette jeune femme apparemment insouciante incarne tout ce que Rachel a tenté d’être dans sa relation avec Tom – un mariage dont elle refuse encore d’accepter l’échec. Un jour, sur le trajet qui la mène à New York, Rachel aperçoit quelque chose de tellement choquant dans le jardin de Megan et Scott qu’elle en est bouleversée. Peu après, lorsque Megan disparaît et que l’on craint le pire, Rachel raconte à la police ce dont elle pense avoir été témoin. Mais peut-elle vraiment se fier à ce qu’elle croit avoir vu, ou est-elle personnellement impliquée dans le crime ? En franchissant la dangereuse frontière entre curiosité et obsession, Rachel pourrait bien tomber sur le véritable meurtrier… ou découvrir qu’elle a elle-même du sang sur les mains.