1930年，纽约发生了一起骇人听闻的绑票撕票案，主谋卡塞蒂携赎金逍遥法外。 5年后，侦探赫丘里·波罗（艾伯特·芬尼 饰）乘船渡过博斯普鲁斯海峡，并在朋友比安奇（马丁·鲍尔萨姆 饰）的安排下登上东方快车，去往伦敦。一日凌晨，波罗被隔壁10号包间的叫声惊醒。随后，因雪堆掩埋铁轨，列车被迫停于南斯拉夫境内。波罗再次睡下不久，又被吵嚷声惊醒。贵妇哈里特·贝琳达·哈伯德（劳伦·巴考尔 饰）声称10号包间的富翁雷切特（理查德·威德马克 饰）潜入了自己的11号包间。天亮后，雷切特的管家贝多斯（约翰·吉尔古德 饰）端来了饮料，却敲不开10号包间的门。列车员皮埃尔·保罗·米歇尔（让-皮埃尔·卡塞尔 饰）用钥匙开了锁，但是里面挂了门链。波罗与皮埃尔合力扳开门，发现雷切特口角流血死不瞑目。经医生康斯坦丁（乔治·库鲁里斯 饰）检查，雷切特被下了药，身中12刀，死亡时间为0点至2点间……

“暴食”、“贪婪”、“懒惰”、“嫉妒”、“骄傲”、“淫欲”、“愤怒”，这是天主教教义所指的人性七宗罪。城市中发生的连坏杀人案，死者恰好都是犯有这些教义的人。凶手故弄玄虚的作案手法，令资深冷静的警员沙摩塞（摩根•弗里曼 Morgan Freeman 饰）和血气方刚的新扎警员米尔斯（布拉德•皮特 Brad Pitt 饰）都陷入了破案的谜团中。他们去图书馆研读但丁的《神曲》，企图从人间地狱的描绘中找到线索，最后从宗教文学哲学的世界中找到了凶手作案计划和手段的蛛丝马迹。凶手前来投案自首，这令众人都松了一口气，以为案件就此结束，怎料还是逃不出七宗罪的杀人逻辑，这次凶手瞄准的目标，是那个犯了“愤怒”罪的人……

二十世纪70年代，旧金山出现了一个自称“十二宫”的杀人狂，杀人后，向媒体寄一封信，留下密码、线索，向警方挑衅，多次的阴差阳错使案件陷入僵局，警方渐渐束手无策。连环杀人案件也引起了《旧金山纪事报》的记者罗伯特（杰克•格兰恩哈尔 饰）和保罗（小罗伯特•唐尼 饰）的注意，他们在警察大卫（马克•普法洛 饰）的帮助下，开始调查这一系列的连环凶杀案件，在和“十二宫”杀手斗志斗勇的同时，他们个人的生活也面临了极大的挑战。