Seok-woo, un gestionnaire de fonds en instance de divorce, monte à bord du KTX pour Busan afin d'exaucer le souhait d'anniversaire de sa fille Soo-an, avec qui il a une relation distante. Bientôt, le train est plongé dans le chaos par l'intrusion et l'infection de zombies. Les passagers, qui apprennent la catastrophe nationale via les informations diffusées dans le train, voient leur seule chance de survie dépendre de leur capacité à atteindre Busan, la seule ville ayant réussi à contenir l'épidémie initiale. À bord du train, Seok-woo et sa fille Soo-an, le couple Sang-hwa et Seong-kyeong, les lycéens Young-guk et Jin-hee, ainsi qu'un sans-abri et un homme d'affaires d'âge mûr, Yong-seok, luttent désespérément contre les infectés pour survivre.