一列满载1500名旅客由东京开往博多的新干线光号109次列车不久将要停靠横滨。突然，新干线总指挥仓持从铁道公安部转来的一个匿名电话中获悉，光号109次列车上有一枚炸弹。匿名人是一个中年男子，他声称：由于电磁计速器和引信连结在一起，只要列车时速减到80公里，就会引起爆炸。仓持立即将此消息告知109次客列司机青木，并下令迅速对列车进行全面检查。
打电话的中年男子名叫冲田哲男。一年前，冲田精密机械制造所倒闭，他因此负债累累，终日借酒浇愁。其妻靖子见丈夫一蹶不振，大为失望，起了自杀的念头。她打开煤气开关，想了结全家三口的性命，被酒醉的冲田发现，才幸免于难。靖子为了替丈夫还债，被迫跟他离婚，偕儿子贤一回娘家。从此，冲田跟两位失意青年古贺胜和大城浩一起力图摆脱生活的困境，却迟迟未能如愿。大城浩在一次工伤事故中身负重伤，老板拒绝支付医药费。古贺胜见他有生命危险，急需医治，便找老板算账，并想炸毁他的建设公司。这时冲田萌发了一个歹念：将炸弹安放在新干线列车上，以此要挟日本政府拿出500万美元，否则炸毁列车。他们三人打算得到这笔钱后，逃出国境，去寻找自己理想的国家。
由东京警视厅和铁路公安部组成的侦破组立即着手对这起骇人听闻的案件进行侦破。他们首先在夕张车站上找到了留有古贺胜指纹的烟蒂。他的档案里有这样的记载：“古贺胜1948年出生，城南大学理工科学生。全日本学生运动委员会副书记。1971年三里冢事件中因妨害公务罪被捕。1973年，被勒令退学。之后脱离学校，停止活动。现住在东京丰岛区池袋五丁目赤根庄2号。”警视厅刑侦科长花村决定将嫌疑犯古贺胜逮捕归案。铁道公安部长宫下认为：“此人参加过学生运动，又有前科，是不会招供的。光号109次还有8小时就要到达博多，到那时，不停也得停，一停列车就要爆炸。既然罪犯提出要钱，就等交了钱，知道排除炸弹方法后，再抓他。”花村觉得他言之有理，便派长田等刑警先寻找古贺胜的行踪。长田来到赤根庄，邻居告诉他，古贺胜两年前就离开此地，下落不明。警视厅当即将古贺胜的照片分发到各地，进行暗中搜寻。
109次客车上的旅客得知罪犯在车上安放了炸弹，惊恐万状，骚乱起来。孕妇和子乘这次车回娘家生孩子，结果因受到强烈刺激，引起难产，胎儿死亡，产妇失血过多，生命垂危急需送医院抢救。
铁路总裁为筹集500万美元前往首相官邸请求帮助。总理答应铁路的要求。花村根据罪犯提出一定要美元这一要求，推测罪犯可能要潜逃国外，便下令立即调查各旅行社所有预订机票的旅客，重点调查一周之内准备出境的旅客。
冲田在路旁的电话亭跟铁道总部通电话说：“派一个人带好钱乘直升飞机十分钟后起飞，一直往北飞，降落地点等我电话。我拿到钱后就教你们排除炸弹的方法。”警视厅立即联络各县的警察作好行动准备。不一会儿，冲田打电话通知飞机降落在樱泽高中的操场上。接着，装有500万美元钱箱的一条小船驶向岩濑村的山崖下。早已等候在山崖顶的大城浩放下一根十几丈长的绳子将钱箱徐徐往上吊。埋伏在四周的警察密切注视着动向。冲田佯装钓鱼也在河边窥伺着。突然山崖上传来了大学柔道队的跑步声。崖下的警察岩上以为时机已到，便大声喊：“炸新干线的罪犯就在山崖上，快抓住他！”柔道队员闻声扑向大城浩。大城浩慌忙跳下山崖，游过对岸，骑上摩托车，夺路而逃。周围的警车一下子包抄了上来，大城浩慌乱中一头撞在电线杆上，当场毙命。由于大城浩没有带任何证件，警方一时无从调查清楚。
东京警视厅和铁路公安部立即组成小组调查此案。他们发现古贺胜的指纹在夕张车站的烟蒂上，他曾因学生运动被捕。警视厅决定逮捕古贺，但铁道公安部长宫下认为应先满足罪犯要求，找到排除炸弹的方法。警方在寻找古贺时，得知他失踪，警视厅发布了通缉令。列车上乘客因炸弹恐慌，一名孕妇因惊吓导致难产，情况危急。
在警方的压力下，冲田通过电话指示如何交付赎金。当钱被带到指定地点后，大城浩在试图逃离时被柔道队员发现，混乱中丧生。古贺受伤后告知冲田，尽管大城浩的死让计划受挫，但冲田还是被迫继续。警方在调查中发现冲田制造所与炸弹有关，最终在列车上找到炸弹并解除威胁。
尽管冲田试图逃脱，但在警方的严密包围下，他最终在试图逃离日本时被逮捕，新干线109次列车在经历了一场惊心动魄的危机后，终于平安抵达博多。冲田的计划以失败告终，正义得到了伸张。
