Trama
Il protagonista è un uomo originario di Grand Rapids, nel Michigan, il cui nome non viene mai rivelato (così come quelli della maggior parte degli altri personaggi), che mostra in flashback una straordinaria avventura che visse da ragazzino.
Il bambino, durante la notte della Vigilia di Natale, va a dormire fortemente convinto che sotto l'albero i regali verranno messi dai suoi genitori e non da Babbo Natale, alla cui esistenza non crede affatto, a differenza della sorella minore Sarah. Proprio pochi minuti prima della mezzanotte, il ragazzino, non riuscendo a prendere sonno, sente un forte rumore e vede una gran luce provenire dall'esterno e si accorge che, sulla strada di fronte alla sua casa, si è fermato un misterioso treno a vapore che sembra apparso dal nulla, chiamato Polar Express; il capotreno, un uomo di mezza età burbero ma bonario, spiega al protagonista che il convoglio conduce i bambini al Polo Nord, permettendo loro di incontrare Babbo Natale. Dopo un primo momento di incertezza, il bambino decide di salire a bordo.
Il treno è pieno di bambini, tutti vestiti in pigiama e intenti a cantare canzoni natalizie, e durante il viaggio viene offerto un rinfresco con della cioccolata calda servita da un gruppo di camerieri e cuochi ballerini. Il protagonista fa amicizia con una simpatica ragazzina, con un timido e povero ragazzino di nome Billy e con un altro ragazzino con un fastidioso atteggiamento da saputello; conosce anche un misterioso avventuriero che vive sopra i vagoni bevendo continuamente caffè, il quale gli rimprovera di non essere completamente sincero con sé stesso, essendo sempre in bilico tra il credere e il non credere.
Dopo diverse peripezie, tra cui un tratto dei binari in stile montagne russe, lo scivolamento del convoglio su un lago ghiacciato (dove il ghiaccio ha ricoperto i binari), la rottura della leva di comando della velocità in cabina di guida e l'incontro con una numerosa mandria di caribù, finalmente il Polar Express, condotto dal capotreno e da due imbranati macchinisti, giunge al Polo Nord, dove il vagone dei tre piccoli amici, sganciato per sbaglio dal treno, si allontana e finisce proprio nella fabbrica dei giocattoli. Uscendo da tale luogo, i tre si radunano nella piazza giungendo dentro il grande sacco dei regali di Babbo Natale.
A questo punto finalmente si presenta Babbo Natale che, come da tradizione, deve assegnare il primo dono di Natale ad uno dei bambini passeggeri del treno, e sceglie il piccolo protagonista. Lui chiede di avere in dono semplicemente una campanella staccatasi dalle redini delle renne scalpitanti, di cui riuscirà a sentire il meraviglioso suono soltanto quando deciderà ed ammetterà di credere.
Il ragazzino quindi ammira Babbo Natale decollare nella notte per le sue consegne, poi risale sul treno, dove si accorge tristemente di aver perso la campanella a causa di un buco formatosi nella tasca del pigiama, da cui la campanella è scivolata giù, e non riesce a scendere in tempo per cercarla in quanto il treno è già partito per il viaggio di ritorno.
Tornato a casa, dopo aver salutato i suoi nuovi amici, il capotreno e il misterioso avventuriero, rivelatosi un fantasma, va a letto a dormire. Quando si sveglia il giorno di Natale, dopo aver scartato tutti i regali presenti sotto l'albero, nell'ultimo dei pacchetti ritrova la campanella, insieme ad un biglietto di Babbo Natale che gli consiglia di farsi rattoppare il pigiama. Il protagonista e la sorella riescono a sentir suonare la campanella quando la agitano, mentre i genitori non la sentono e pensano che non funzioni.
Il film si conclude con il protagonista che, da adulto, afferma che con il passare degli anni tutti i suoi amici e anche sua sorella non sono più stati in grado di udire il suono della campanella come quando erano bambini, ma nonostante ciò per lui la campanella suona ancora, come per tutti coloro che credono sinceramente nella magia del Natale.
