События детективного фильма «Загадочный пассажир» разворачиваются в Польше в середине пятидесятых годов. Главный герой – хирург из Варшавы Ежи, который едет по работе в провинцию на берегу Балтийского моря. Он не хочет, чтобы кто-то мешал в дороге, поэтому выкупает целое купе. На одной из станций в купе заходит молодая женщина и занимает место. Ежи в недоумении, он пытается оспорить ее присутствие с помощью проводника, но с билетом полный порядок. Вероятно, что произошла ошибка. Постепенно Ежи успокаивается, и вот он уже общается со свой соседкой, как с давней знакомой. Поздно ночью в вагоне появляются полицейские, которые арестовывают главного героя и обвиняют в убийстве жены…