In der Weihnachtsnacht liegt ein kleiner Junge in seinem Bett und wartet trotz seiner Zweifel am Weihnachtsmann auf die Geräusche des Rentierschlittens. Im Laufe der Nacht jedoch hört er Geräusche eines Zuges und begibt sich vor die Haustür, wo ein Schaffner vor dem Polarexpress steht. Er erklärt ihm, der Zug fahre zum Nordpol, und bittet ihn einzusteigen. Nach kurzem Zögern tut der kleine Junge dies.

Der Film erzählt die Geschichte des gleichnamigen Kinderbuchs von Chris Van Allsburg. Ein kleiner Junge liegt abends wach in seinem Bett und wartet auf Santa Claus: Er lauscht in die verschneite Nacht hinaus, ob irgendwo ein Glöckchen klingt. Doch statt des Glöckchens naht ein mächtiges Brausen, und mit quietschenden Rädern kommt die schwere Lokomotive direkt vor seinem Zimmerfenster zum Stehen. Es ist der Polarexpress, und sein freundlicher Schaffner bittet zum Zusteigen. Ziel der Reise: der Nordpol, Heimat des Weihnachtsmannes. Auf der Fahrt zum Nordpol lernt der Junge andere Passagiere in seinem Alter kennen – darunter ein nettes Mädchen, einen „Besserwisser“ sowie den als Letztes zugestiegenen, aus armen Verhältnissen stammenden Billy, der sich in den letzten Waggon zurückgezogen hat...