Tras una temporada en Pekín, Roy (Woody Harrelson) y Jessie (Emily Mortimer) deciden viajar hasta Moscú en el mítico Transiberiano, el ferrocarril que une la Rusia europea con las provincias del lejano Oriente ruso, Mongolia y China. La gente que viaja en el gigantesco y algo tétrico tren es bastante extraña, y un viajante les explica que los traficantes suelen usarlo para pasar droga. Al poco de empezar su viaje, la pareja entabla relación con sus compañeros de compartimento Carlos (Eduardo Noriega) y Abby (Kate Mara), que se dedican a viajar por el mundo dando clases de inglés y comprando objetos en un país para revenderlos después, como unas muñecas matryoshka que Ian dice vender en Ámsterdam a muy buen precio. Sus caminos se cruzarán con el del inspector Grinko (Ben Kingsley), que viaja desde Vladivostok siguiendo los pasos de los asesinos de un narcotraficante y de un importante alijo.