Lady Carstairs doit prendre le train de Londres à Edimbourgh en compagnie de "L'étoile de Rhodésie", un diamant aussi énorme que précieux. Son fils Roland embauche alors Sherlock Holmes accompagné de Watson pour assurer sa protection. Sauf que Roland a pris le diamant, qu'il est assassiné et que la pierre disparaît.
Sherlock Holmes commence son enquête dans le train avec l'aide de Lestrade et Watson. D'autres meurtres suivent. Le responsable est le colonel Sebastian Moran qui voyage sous une fausse identité et qui est épaulé par son homme de main Sands, caché dans un cercueil.
Arrivé en Ecosse, l'inspecteur MacDonald monte dans le train pour arréter le colonel. Or Sherlock Holmes se rend compte qu'il s'agit d'un faux inspecteur venu délivrer le colonel. Prévenu par le détective, Lestrade arrête les coupables...
Roy William Neill réalisera les onze derniers films de la série de douze que La Universal Picture consacrera aux célèbres aventures de Sherlock Holmes et Watson, ici toujours interprétés par Basil Rathbone et Nigel Bruce... sans oublier Hennry Daniell dans le rôle de Moriarty et Mary Gordon dans celui de Mrs. Hudson.
Terror By Night (1946), est l'avant dernier de la série réalisée par Roy William Neill après Sherlock Holmes and the Secret Weapon (1943), Sherlock Holmes Faces Death (1943), Sherlock Holmes in Washington (1943), Sherlock Holmes and the Spider Woman (1944), The Pearl of Death (1944), The Scarlet Claw (1944), The Woman in Green (1945), The House of Fear (1945), Pursuit to Algiers (1945) et avant Dressed to Kill (1946).