开头场景十分诡异：一辆火车挂在二十五米高的大树上，车体烧成黑色，里面躺着一具黑焦尸体。
高两米重四十公斤的怪兽猩猩模型被盗。一男子开车累了打个盹，醒来发现车悬空失灵，回复控制之后突然变亮，后面追来一头十几米高的怪兽猩猩（不是之前丢失的模型）。司机吓得开车逃窜，一直逃到一个树林里停下，发现车里的保险丝被人拔掉。
少女A受到一封系在乌瓜上面的信，上面写着“银河列车七点从神社出发”，之后便离奇失踪。“银河列车”是宫泽贤治著名童话的主题。A的祖父是法官，八年前曾参与判决一起少女B的绑架案。A祖父收到三张照片，是A被人断头的恐怖场景，A的脸上涂了白粉，嘴唇上涂了口红。A祖父确认为照片中人头为A本人无疑，光影分析也证实不是模型。
B的父亲C是一名摄影师。当年B被犯人D绑架，虽然后来被归还，但因此患上抑郁症，不久死于车祸。C一直认为判决太轻，想要报复。C年初的时候趁妻子E外出买东西的时候自杀身亡，朋友都参加了C的葬礼。D两年前出狱，之后下落不明。大家认为已经死了的A突然唱着歌回家了。
警察询问A失踪的经历。A说在车站碰到一个陌生男人，自称生病朋友的父亲。该男子带着A坐了车又换乘飞机，最后上了“银河列车”。在火车上，A看到白鸟星座，还看到侏罗纪的上古恐龙。A认为自己游玩了三天之后回家，但其实过了四天。
在北海道极寒高原地带，某团体组织了一次“神秘银河列车之旅”。六十名乘客搭乘了三节车厢的蒸汽火车，集体神秘失踪。车掌被一名四十岁左右的女子用刀押到首节车厢系上手铐，并在胁迫下不得已向全体旅客广播，接下来列车将关灯全速运行，请大家不要乱动。火车进入一条黑色隧道，可奇怪的是预定路线沿途并无隧道。约三十分钟后，列车升起，地面照亮，看见红色的火星。警察在二十五米高的树上发现火车，两道车轮印在树前五十米处消失，即小说开头一幕。
附近的国道发生汽车事故，司机坚称自己撞上了“涂壁”（传说中一种像墙一样的怪物，会在路上突然出现）。还有人目睹“乌天狗”（天狗的一种，剑术高超的忍者造型）。大雪山的树林晚间忽然着火，有人看到怪兽猩猩张着血盆大口，身旁倒着两具死尸。乘客们平安归来，都说真的参加了银河旅行。警方查出两具死尸都是有前科的罪犯，最近两三年出狱。
乘客们提供旅行证词。他们受到旅游邀请，飞机转乘火车，踏上“银河之旅”。火车行驶途中遭遇怪兽猩猩追击，火车剧烈左右晃动，逃入隧道。之后火山爆发引发地震，岩浆上涌，空气中到处弥漫着硫磺的味道。乘客们抵达银河车站，第二日自由活动。
三节车厢的乘客在旅行中看到的场景不一样。第一车厢的乘客经过土星和木星，来到白鸟座。第二车厢的乘客看到恐龙吃草，还闻到草的香味。第三车厢的乘客看到怪兽猩猩。乘客们都坚称看到的绝对不是电影画面，而是真实场景。另外，前两节车厢的乘客当初收到的都是电话邀请，只有第三车厢的乘客收到的是明信片邀请。警方怀疑C的妻子E是幕后策划，但E和劫持车掌的四十岁女人相貌对不上。火车沿线的一条支线通向一个废弃工厂，警方去那里调查。
再次发生第二起“银河列车”事件。某超市举办活动，请大家参加旅行。同样是三节车厢，每节车厢一位向导，均由超市经理担任。所有人失踪，超市社长也失踪。警察再次发现两具尸体，也都是最近出狱的罪犯。旅客们平安回到家，都说看到了恐龙。火车开到半道因为前方落石曾经延误十五分钟。警察调查火车沿线，发现附近有一座废弃矿山。警方查出E最近花巨款买下超市和废矿山，因此追查E。
E的邻居证实曾在E家附近见过劫持车掌的女子。银河列车的司机失踪，却从巴西给家里寄了一封信说很快回家。警察连续调查死去罪犯当年的受害人家属，他们都有不在场证明。第二次旅行的旅客中大部分是随机挑选的，但有三十二人是E特意安插的，他们留给警察的联系方式都是虚假信息。有乘客确认某当年受害人家属是三十二人之一。
生平未见之宏大诡计，比“岛田流”还要“岛田流”，青出于蓝而胜于蓝，难怪岛田庄司在书末强力推荐。所谓“宇宙空间的谜面，地球表面的解答”，大概如此。