Contada principalmente en flashbacks, los amigos de la infancia Alek Skarlatos, Anthony Sadler y Spencer Stone (interpretándose a sí mismos) se encuentran en un viaje de mochileros por Europa. Cuando se dirigen a una estación de tren, comienzan los flashbacks.

Los jóvenes Alek y Spencer asisten a la misma escuela secundaria y se unen por su amor a las armas. Se hacen amigos pero se meten constantemente en problemas en la escuela. Pronto conocen a Anthony, que también suele meterse en problemas, y los tres se hacen inseparables. Ya adolescentes, la afición de Alek y Spencer por las armas y el ejército les lleva a alistarse en las fuerzas armadas. Spencer, tras perder mucho peso, se alista en las Fuerzas Aéreas, mientras que Alek se une al Ejército. Durante su entrenamiento básico, Spencer recibe formación médica en el campo de batalla y entrenamiento en artes marciales. Un día, suena una alerta que indica que hay un tirador activo en la base. En lugar de seguir las órdenes de esconderse bajo su escritorio, Spencer se queda junto a la puerta sosteniendo un bolígrafo, con la intención de utilizarlo como arma si fuera necesario. Posteriormente, se revela que se trata de una falsa alarma. Tras completar sus respectivas formaciones básicas, Spencer es destinado a Portugal y Alek a Afganistán.

Un día, Alek se comunica por Skype con Spencer y le dice que tiene previsto visitar a su novia en Alemania durante su próximo permiso y le sugiere que se reúnan. Están de acuerdo, entonces Spencer se comunica por Skype con Anthony, ahora estudiante universitario, y lo convence de que se tome unas vacaciones en Europa durante el verano, y él acepta. Anthony y Spencer pasan unos días juntos en Italia, luego viajan a Alemania y se encuentran con Alek allí. Viajan por Alemania y más tarde por Ámsterdam, y luego deciden por capricho incluir Francia en el viaje. El trío se dirige a la estación de tren de Ámsterdam (donde comenzó la película) para tomar el tren de las 15:17 a París.

La fecha es el 21 de agosto de 2015, y los tres amigos están descansando en el tren cuando Ayoub El-Khazzani (Ray Corasani), sentado en el vagón de al lado, se lleva su maleta al baño. Sus compañeros de viaje, Mark e Isabelle Moogalian (que se interpretan a sí mismos), se dan cuenta de que el hombre tarda mucho en entrar y Mark va a comprobarlo. Justo en ese momento, El-Khazzani sale con un rifle de asalto y Mark consigue quitarle el arma.

Mientras Mark huye, El-Khazzani saca una pistola y le dispara en el cuello, y luego recupera el rifle de asalto. Mientras otros pasajeros huyen del coche, el trío oye el disparo y ve a los pasajeros asustados. En ese momento, El-Khazzani entra en el coche. Spencer se levanta inmediatamente y se abalanza sobre él, justo cuando el pistolero le apunta con su rifle. Afortunadamente, el arma se atasca y Spencer lo aborda. Mientras Spencer sujeta a El-Khazzani con una llave de estrangulamiento, el pistolero consigue sacar su cuchillo y acuchilla a Spencer, casi cortándole el pulgar. Para entonces, Alek y Anthony intentan ayudar a Spencer a someter a El-Khazzani y consiguen dejarlo inconsciente. Mientras el pistolero es atado, Spencer corre hacia Mark y logra detener la hemorragia introduciendo sus dedos en la herida y presionando la arteria.

La policía y los paramédicos esperan el tren en la siguiente estación. La policía detiene a El-Khazzani, mientras los paramédicos atienden a Mark y a Spencer por sus heridas. Una vez que la policía confirma que El-Khazzani no tiene cómplices a bordo, se permite que el tren continúe hacia París. La película termina unos días más tarde en una ceremonia de homenaje a los tres amigos de la infancia. Cada uno de ellos, y más tarde Mark, reciben la Legión de Honor de manos del Presidente de Francia por sus heroicas acciones a bordo del tren.