फिल्म की कहानी मुंबई से चेन्नई तक की एक रेल यात्रा पर केंद्रित है। शाहरुख खान द्वारा अभिनीत रोहन भटनागर एक सफल व्यवसायी हैं जो अपनी पत्नी मेडलिन (दीपिका पादुकोण) के साथ एक नई शुरुआत करने के लिए चेन्नई जा रहे हैं। लेकिन जब वे चेन्नई एक्सप्रेस में सवार होते हैं, तो उनकी जिंदगी पूरी तरह से बदल जाती है। उन्हें एक अनजान लड़की (कियारा आडवाणी) से प्यार हो जाता है और वे अनजाने में एक नए रोमांच में फंस जाते हैं।