Mai 1940 : Dans la petite ville de Fumay dans les Ardennes au début de l'offensive allemande à travers la Belgique. Julien Maroyeur est réparateur de postes de radio et sa femme Monique est enceinte. Des réfugiés belges commencent l'exode. C'est bientôt au tour des français qui se rendent à la gare.
Monique et leur fille ont le droit de monter dans une voiture de première classe, mais Julien doit monter dans le dernier véhicule remorqué du train : un fourgon où se trouvent déjà Julie, une prostituée et d'autres voyageurs. En attendant qu'une locomotive soit attelée, Julien va voir sa femme et sa fille dans leur voiture en tête du train. C'est quand il revient et remonte dans le fourgon qu'il découvre Anna, une belle jeune femme mystérieuse.
Le train roule vers le sud. Lors d'un arrêt pour charger de l'eau, ils doivent accueillir d'autres réfugiés dont une jeune mère allaitant son bébé. Julien est intimidé par la beauté et le caractère mystérieux d'Anna. Dans une grande gare, le train doit s'arrêter toute la nuit pour laisser passer des convois militaires. Mais le train est coupé en deux et Julien séparé de sa femme et de sa fille. Des soldats interdisant au conducteur de passer sur un pont sur la Loire, Julien se propose pour conduire le train de l'autre côté du fleuve, ce qui lui est accordé. Il regagne son fourgon sous les applaudissements. Le train est arrêté par un bombardement. Tous descendent et sous l'émotion, Anna se retrouve dans les bras de Julien. Ils font l'amour dans la nuit.
Le voyage se poursuit plutôt joyeusement, mais le train est mitraillé et plusieurs voyageurs sont tués, dont la jeune mère. Finalement, le train arrive à La Rochelle. Julien fait passer Anna pour sa femme afin qu'elle ne soit pas internée. Ils se rendent à l'hôpital où est soignée Monique qui a accouché. Mais pendant que Julien va voir sa femme, Anna s'en va et disparait.
Julien reprend sa vie quotidienne avec sa femme dans les Ardennes. Mais en 1943, en hiver, il est convoqué par la police. La police montre à Julien des faux papiers au nom de sa femme et avec la photo d'Anna. Julien commence par nier la connaitre, mais le policier les met en présence. Après un instant, sans parler, Julien reconnait implicitement Anna en lui caressant la joue.
La brève rencontre entre Julien et Anna donne lieu à un intense drame sentimental où les événements dramatiques de la guerre révèlent les comportements et sentiments de divers protagonistes. Transfigurés par leur amour, Julien et Anna se montrent sous leurs plus beaux jours. Anna fuit pour ne pas compromettre Julien. Les derniers plans de l'épilogue du film s'éloignent du roman de Simenon avec le geste final de Julien qui reconnaît Anna et se condamne avec elle. C'est une idée de Trintignant, sollicité par le réalisateur sur ce qu'il aurait eu envie de faire en pareil cas.