在未来世界，因为人类社会制造的一场灾难，地球进入到了冰川时代，人类几乎灭绝，剩余的人们登上了一辆装有永动机的列车里才幸存下来。这辆雪国列车在冰原上运行了17年，车上等级森严，富人住在列车前段车厢，这里有植物园，有海洋馆，有学校，有美容院，有酒吧等等应有尽有，俨然一个小型生态圈。而穷人住在后半段车厢，这里就像个贫民窟，空间狭窄，人口拥挤，终年不见天日。17年如一日，天天吃蛋白膏，特别像小时候吃的羊羹。如果大家想改善伙食提出抗议，就会被看守士兵暴打。
但最近的蛋白膏里有小秘密，每一批里有一块塞着弹壳，拆开弹壳里面有张纸条，把纸条拼凑起来，意思是说列车监狱里有个人是列车的安保系统设计师，他可以帮大家打开通过头部车厢的电子门。这个人是美队，贫民窟的领导者，这个老头是贫民窟里的军师。美队和军师猜测这些纸条是被抓去餐车干活的兄弟传回来的，但车尾到监狱有三道门，同时打开的时间只有四秒，他们必须等个机会。
这天，士兵过来清点人头。他们把小孩子排到前面，一个父亲把儿子藏在身后，士兵发现后拉着小孩就走，然后出来个女秘书，拿着皮尺量着孩子的三围，就在这时，她看到一个胖姐，她有个儿子叫小黑，但是没在小孩群里，女秘书朝胖姐走过去，没发现小黑，等秘书转身回来，士兵喊了声，发现了小黑，胖姐大喊让小黑快跑，帮忙藏小黑的人群也躁动起来，开始和士兵起冲突。但他们赤手空拳，哪里是全副武装士兵的对手。结果两个孩子都被带走了，父亲气不过脱下鞋子砸过去，头破血流的女秘书反而兴奋了起来，舔了舔自己的血，把那个父亲给抓了起来，执行了雪国列车上特有的酷刑。
只见士兵把这个父亲的手伸出车厢外，他疼得要死，可一秒钟后就不疼了，过了几分钟，等把手抽回来，已经冻成了碎碎冰。士兵再拿起重锤，一锤就把这条冰冻手臂砸了个粉碎。这个龅牙女是列车里的二把手，女部长这时候过来演讲说，人各有命，有的人生来就是高高在上的权贵，有的人生来就是地位低下的贫民，不能每天想着反抗，你们能活着，要好好感谢列车长老威?人群后的军师突然起身，他少了一只脚，得拄拐，可拄拐的手也是一只勾子，看来他已经受过好几次这种酷刑了。他要求见列车长老威，部长不以为然，扬长而去。
美队觉得必须加快行动，否则他们还会抢孩子。为了反抗，他们秘密搜集了一堆铁桶。这天士兵来送食物，打开了几扇电动门，美队跟兄弟姐妹说，时机到了，士兵枪里没子弹，可能镇压时子弹全都用完了，否则步枪不应该这么轻，他决定赌一把。便把心一横，冲上去抓住枪口，对准自己脑袋扣动了扳机，果然，他赌对了!士兵的枪里没有子弹了!所有人群体暴起，抓住铁桶往前推，铁桶迅速卡住三道闸门，穷人们人多势众，很快就把为数不多的士兵干掉了。
可这时，一个壮汉挡住了去路，军师的贴身保镖脱了上衣飞速奔跑，一跃而上，卡住脖子，一刀秒杀。从他身上取下钥匙，然后来到监狱里，这个监狱很特别，像停尸间一样，每个犯人都被囚禁在抽屉里，他们找到了线人说的那个人，是个韩国电子专家，看他造型，我们就叫他犀利哥。叫醒了犀利哥，美队跟他说，他们要去发动机舱，犀利哥拿出绝种十几年的香烟，抽了一口，说你疯了吧，他不干。美队说每开一道门，给你一块蛋白膏，犀利哥抢了钥匙又打开一个抽屉，里面是他女儿，他说要去的话得带上他女儿，因为他女儿有特异功能，能察觉到门后的情况，而且得给两块蛋白膏。
美队马上答应了，犀利哥很快就打开了第一道门，他女儿说，第一道门后面没人，果然是空无一人，桌上的食物也还没来得及带走，此时一声巨响，列车冲出隧道，他们见到了阔别17年之久的阳光，大家都非常兴奋，只有军师忧心忡忡，因为外面还是一片冰封，死气沉沉，丝毫没有好转。随后，他们继续前进，第二道门后是厨房，专门制作供他们吃的蛋白膏。制造车间唯一的操作工，他们都认识，几年前被从车尾抓来。美队问他是不是传信的人?可这个人说他只知道有人给他蛋壳而已。此时，背后一人惊呼，他正在蛋白膏制造机上，美队也过去看看蛋白膏是怎么做的，不看还好，一看差点没吐出来，原来机器里是无数只正在粉碎的蟑螂，他们的蛋白膏都是小强做的。美队看着正在疯抢蛋白膏的众人，不忍说出真相，他叫画家也别把这个记录进去。
大家吃饱喝足之后，就去开下一道门，小女孩看了下这道门的后面，慢慢的表情变得惊恐。原来，门后面集结了一大堆士兵，一场血战不可避免。现在大家都没有子弹，战争回到冷兵器时代，这时候，对面人群中一人拎出胖头鱼，带头大哥的斧头上沾上鱼血，传给后面的小弟挨个沾血，随后一场恶战爆发，双方杀得难解难分，突然后面的军官用大喇叭喊道，要过大桥啦，士兵们停下手，居然开始倒数，3,2,1。其他人一脸懵逼，原来雪国列车，每年绕地球一周，经过大桥时，恰好是新年。原来是在迎接新年的意思。
列车撞上冰盖，所有人都摔得东倒西歪，只有犀利哥拉着女儿站在窗前往下看，原来是一架飞机。等列车稳住，大家准备继续开打，可就在这时，士兵们通通带上了夜视仪，大家莫名其妙。犀利哥女儿说，大桥之后就是超级隧道，但话音刚落，在女部长的狞笑下，黑暗降临，这成了单方面的屠杀，穷人们毫无还手之力，在这危急时刻，车尾终于有人递来了火把，火把汇聚成一片，穷人们再次占据上风，可美队背后却大喊一声，原来是他最好的兄弟杰米被抓住了，他让美队别管自己，继续干，杰米被士兵一刀给结果了，美队救不了他，他只能上去抓住女部长，威胁士兵们放下武器。然后留下大部分人看守士兵，美队和犀利哥他们继续往前。
他们来到控水车厢，他让部长联系老威，说我们控制了水源，不谈判就断水。部长哈哈大笑，说雪国列车的供水是来自车头高速高温融化的冰水，这个车厢对控制水源毫无作用。美队这下懵逼了，那线人是什么意思?还好女部长为了保命，同意带他们去见列车长。
部长带着他们来到了前半车厢，我的天，原来这里的生活这么丰富，有植物园，穷人第一次吃到水果;有海洋馆，穷人们第一次品尝寿司;经过肉舱，这里的库存再吃个十年都没问题，再往前，居然还有幼儿园，老师在给孩子们洗脑，这些单纯的孩子，从小就被灌输列车长是上帝的思想，他们的一切都是老威赐给他们的，老师还叫大家看窗外，那是上一次的暴动者跑出车外，才几十米就冻成了冰雕。
胖姐想在人群里找被带走的两个孩子，可找来找去都没见他们的人影。这时候有个小朋友说，你们儿子被带去前面了。这时前门开了，服务员在派送新年蛋，而美队收到的蛋最为特别，里面也有线人留的弹壳，打开一看只有一个字，血。完全不懂什么意思。
此时，服务员已到后车厢，他连穷人们也发，这可是17年未见的奇景。就在服务员软化众人的时候，他从蛋堆里拿出一把冲锋枪，对着众人就是扫射，与此同时，老师也拿出一把枪疯狂扫射，在这危急时刻，美队和军师保镖一点头，一个飞刀就把老师解决掉，可他们从监控里看到，留在后面的穷人们被制服了，保镖当着美队的面处决了军师，美队崩溃了，他也处决了女部长。
他们继续往前走，越往前走越豪华，有牙医，有裁缝店，有酒吧，有美容院。穿着华贵的富人们向他们投来异样的眼光，而此时后面的保镖们也追上了他们。又是一场血战，最后，美队他们干掉了保镖，但自己也损失惨重，胖姐临终前请求美队要找到自己的孩子，美队答应后胖姐就停止了呼吸。
美队和犀利哥父女继续前行，路过一个醉生梦死的富人车厢，里面灯红酒绿，美队对这些富人寄生虫不屑一顾，他只想尽快找到列车长老威，给他血的教训!终于最后一道门了，门后就是发动机舱，老威就在里面。可他们发现，这道门根本无法打开，美队怒不可遏，对着门又打又踹，等他发泄完毕，自己却崩溃了，为了这次起义，他失去了身边最重要的伙伴。
犀利哥给他全人类最后一支烟，美队深吸一口，默默的说出了埋藏多年的真相，原来当年，穷人刚上车时有上万人，可当时车上蛋白膏供应不足，在暗无天日的车厢里，在饥饿感的折磨下，那里变成了互相残杀的人间地狱，大家人吃人，自己也吃了好几个人，直到有一次，一个女人想把自己的婴儿藏起来，却被一个拿刀的男人找了出来，幸好军师砍了自己的胳膊和腿，男人才放过了婴儿，随后也结束了这样残暴的局面。而那个婴儿就是一直无条件追随他死在路上的杰米。美队多年来一直痛苦不堪，他想打开舱门跟老威同归于尽，同时自己的负罪感。
这时，犀利哥往旁边一指，说我要开的是这扇车门，他想让美队带领大家出去，外面才是真正的世界，还记得刚才大桥下的飞机吗?他年年都要往下看那架飞机，最开始只有机尾，后来露出机翼，现在整架飞机的轮廓都出现了，也就是说外面的冰雪在消融，气温正在回暖。可就在这时，舱门开了，女秘书抬手就是一枪，打伤了犀利哥，还对美队说，老威请你进去，美队乖乖的进到发动机舱，他发现，原来老威是个和蔼的老人，老威给他煎了块牛排，并且告诉他一个惊天秘密。
原来，每一次穷人暴动，都是老威策划的，令人敬仰的军师也是老威的人，他说，一切都是为了控制人口，因为列车的资源是有限的，而人口却无节制的暴涨，为了保持列车的生态平衡，要定期除掉一些人，包括穷人和富人。但美队不信，可老威抬起手，对他说，有两只胳膊才是真正的拥抱，这句话是军师私下跟他说的，美队彻底崩溃了。此时美队眼神变得迷茫，似乎已经被老威的阴谋论给洗脑了。这时候，每队收到了老威的最后一枚蛋壳，上面只有三个字，我老了。
原来，冷静镇定，明白弱肉强食的美队就是老威选出的下一任列车长，面对权力的诱惑，美队迟疑了。这时，一群酒吧的客人上门寻仇，唯一的办法，只能炸开车门，犀利哥的女儿冲向美队要火柴，却被美队一把推开，真正的权力面前，美队也真的心动了。可就在这时，犀利哥女儿听到地板下面有动静，美队帮她打开一看，飞速运转的齿轮旁是胖姐的儿子小黑，原来永动机一个部件毁坏，找不到代替品，唯一的办法是人工代替，可这空间太小了，所以他们每年都会从车尾挑选小孩儿，看着可怜的小男孩和冷漠的列车长，美队终于清醒过来，冲过去给了老威一拳，然后掀开地砖，一拳卡住齿轮，把小男孩救了出来，而火柴也转交到犀利哥女儿手上，最后时刻，炸药点燃，犀利哥和美队用他们的臂膀护住了两个小孩，爆炸引来雪崩，列车脱轨摔落山崖。
影片结尾，小女孩带着小黑离开了雪国列车，走向外面的世界，他们在广袤的冰雪中看到了一只北极熊，这鲜活的生命也寓意着车外的世界才是真正鲜活的世界。
