ジュネーブにあるＩ・Ｈ・0（インターナショナル・ヘルス・オーガニゼーション＝国際保健機構）に、3人のスウェーデンの過激派ゲリラが乗り込みアメリカの秘密生物研究セクションを爆破しようとした。しかし、ガードマンと射撃戦になり、一人は射殺され、残る二人は、様々な細菌類が研究開発されている“危険な”部屋に逃げこんだ。そして一人か射たれて倒れた拍子に、薬のビンを割ってしまい、中の液体が飛び散り、無傷の男の方が一人逃走した……。残されたゲリラを診察したスイス人女医エレナ（イングリッド・チューリン）は、割れたビンにアメリカが秘密裡に研究していた伝染性の細菌が入っていたことをつきとめた。緊急事態の発生で、アメリカ陸軍情報部のマッケンジー大佐（バート・ランカスター）が乗り出し、感染して逃げたゲリラが、ストックホルム＝ジュネーブ間の大陸縦断列車に乗り込んでいることを、つきとめた。その乗客リストの中に、著名な医師チェンバレン（リチャード・ハリス）の名があるのを見つけたマッケンジーは、無線電話で彼を呼び出し、事件の概略を説明するとともに車内に潜んでいるゲリラを捜させた。そして、千人の乗客を検疫収容させるために、ポイントを切り換え、列車をポーランドのヤノフへ向かわせた。そこには、30年近くも使用されていない“カサンドラ・クロス”と呼ばれる鉄橋がかかっているのだが……。マッケンジーは、ニュールンベルグで、一旦列車を止め警備隊と医療班を乗りこませ、出入口、窓、通気孔を密閉して、車内に酸素を送り込むように命じた。列車は再び発車し、事態を知らされた乗客たちは騒然となったが、すでに感染者か現われ始めた。チェンバレンは感染者を一つのコンパートメントに集めた。チェンバレンの先妻で、作家のジェニファー（ソフィア・ローレン）も、彼の献身的な活躍に協力した。乗客の一人、ユダヤ人のキャプラン（リー・ストラスバーグ）は、“カサンドラ・クロス”が、終戦とともに使用されていないことを、チェンバレンに伝えた。チェンバレンは、マッケンジーに鉄橋前で列車を停止するように交渉したが、マッケンジーは、それを黙殺した。一方、エレナは高濃度酸素によって発病を防止できることを発見、列車を停めるようにマッケンジーに申し出るが、すでに列車の無線機が破壊されてしまっていた。鉄橋が迫ってきた。チェンバレンや乗客の有志たちが、警備隊と対決し、列車と機関車を切りはなす決死の行動に移った。やがて、鉄橋にさしかかり、半分の車輛と一部の乗客だけを残して、谷底に落下していった。マッケンジー大佐は、官制室で、列車の赤ランプか消えたのを確認した後、上司に電話で報告した。「悲劇的な事故が発生しまして、列車の全乗客が死亡しました」……。