在一趟开往莫斯科的火车上，军事学院的学生安德烈·托尔斯泰偶然遇到了一个迷人的美国女人珍。他们之间产生了一种特殊的情感。珍声称自己是一个未亡人，来俄罗斯探望她放荡的机械师父亲。但实际上，她是被派来获得军事学院院长拉德洛夫将军的信任的间谍，以便让机械师的“西伯利亚理发师”伐木机能够进入西柏林亚。然而，将军对珍产生了真正的感情，并计划向她求婚。与此同时，安德烈对珍的感情也越来越深。珍一方面试图吸引安德烈的注意，另一方面又努力完成任务。情感纠葛逐渐失控。在一次表演中，由于嫉妒和误会，安德烈伤害了将军，结果被流放到西伯利亚。尽管珍在火车站上与安德烈最后一次告别，但他们最终没有再见面的机会。十年后，珍终于在西伯利亚找到了安德烈的住所，但是命运的转折却让他们无法在一起。多年后，珍回到美国，通过一封信向军事学院的儿子讲述了这段往事。她回顾了他们之间的情感纠葛，以及命运的无情转变。