Le Shanghai-Express s'apprête à partir de Pékin pour se rendre à Shanghai. La Chine vit des heures mouvementées, en pleine guerre civile. Parmi les passagers de première classe : Shanghai Lily, célèbre aventurière, Henry Chang, un négociant eurasien, Hue Fei, une jeune Chinoise à la réputation douteuse, le capitaine Donald Harvey, un ingénieur et joueur invétéré.
Shanghai Lily a été autrefois la maitresse du capitaine Harvey (elle s'appelait alors Madeline). Avant le départ, un espion des rebelles est arrêté. Durant le voyage, le train est stoppé : Chang est en réalité le chef des révolutionnaires. Les passeports des voyageurs sont vérifiés. Chang offre à Shanghai Lily de devenir sa maîtresse. Elle refuse. Mais le lendemain, Chang menace de torturer le capitaine Harvey et de le rendre aveugle. Shanghai Lily accepte sa proposition, en échange de la libération de Harvey. Celui-ci est libéré, ignorant le geste de Lily.
Mais Hue Fei, dissimulée dans les appartements de Chang, poignarde ce dernier pour se venger. Dans la panique générale et la débandade, tous les voyageurs parviennent à remonter dans le train qui repart vers Shanghai. A son bord, Shanghai Lily et le capitaine Harvey, réunis à nouveau.
Après, L'ange bleu (1930), Morocco (1930) et Agent X27 (1931), Shanghai Express est le quatrième des sept films que Marlene Dietrich tourna sous la direction de Sternberg entre 1930 et 1935. Viendront ensuite Blonde Vénus (1932), L'impératrice rouge (1934) et La femme et le pantin (1935).
Entièrement tourné dans les studios de la Paramount même s’il est censé se dérouler entre Pékin et Shanghaï, ce huis-clos ferroviaire offre la possibilité à Sternberg d’imaginer et d’animer un monde miniature peuplé de figures pittoresques dans lequel s’exacerbent les passions humaines, des plus viles au plus sublimes. Shanghai Lily dissimule sous ses allures de beauté froide et calculatrice un cœur de femme aimante entièrement dévouée à l’homme qu’elle retrouve par hasard dans le train, le capitaine Harvey.
Hymne à la féminité, seules deux femmes tiendront tête à l'infâme Chang, c'est avant tout un poème visuel à la gloire de Marlene Dietrich. Sternberg érotise la moindre image de son film, d’une sophistication inouïe, accorde un soin fétichiste au moindre détail, pare son héroïne des étoffes les plus luxueuses – cette incroyable robe en plumes de coq noires. Le fétichisme est d’ailleurs au centre de l’art de Sternberg puisque ce sont les mains de Marlène, isolées du reste de son corps, qui expriment les sentiments et les transformations intimes de la scandaleuse Shanghai Lily ainsi les mains jointes qui jaillissent de l’obscurité lorsqu’elle prie pour le salut de son amant.
Les gros moyens accordés au cinéaste pour sublimer la performance de Dietrich servent aussi aux décors, empreints d’un fort exotisme pour peindre une Chine fantasmée où le train essaye de se frayer un chemin à travers la ville surpeuplée puis au travers d'une chaleur étouffante et d'une flore luxuriante.