波洛将嫌疑人的证词与自己观察到的细节相结合，发现了一些互相矛盾的地方。
比如，男仆说雷切特主动服用安眠药，但根据波洛的了解，雷切特几次收到恐吓信，一直高度警惕，甚至把手枪放在枕头下面，不可能主动服用安眠药，所以，男仆说谎。
然后是秘书，他说恐吓信是死者自己烧的，但他不小心说漏了嘴，显示他早就知道信被烧了，而死者房间发现了两种火柴，一种是死者的，一种是火车上的，因此推断恐吓信应该是凶手烧的，烧信的原因是不想被人发现“阿姆斯特朗”这一关键信息，所以秘书说谎。
再然后是哈巴特太太，她说门闩在门把手下方，被她的洗漱包挡住了，但她忽略了，她房间的门闩在门把手上方一英尺左右，洗漱包不可能挡住门闩，因此她也不需要特地问瑞典太太门锁好没有，显然，她俩互相串供，都在撒谎。
在询问与追查的过程中，波洛还发现一件奇怪的事，除了死者雷切特是杀死阿姆斯特朗一家的凶手以外，他的秘书不小心透露自己的父亲是处理这个案子的地方检察官。
接着，波洛发现另一个突破口，也就是伯爵夫人。她的护照上有一块油渍，波洛推断是故意滴上去遮住了姓名的首字母H，应该是想跟那块手帕撇清关系，然而波洛不仅发现了她的真名，还推断出她就是阿姆斯特朗夫人的妹妹。
更奇怪的是，当波洛怀疑手帕属于伯爵夫人时，公主却突然改口说那块手帕是自己的，因为她的名字是娜塔丽亚，俄文中大写字母N就写作H，她承认自己是阿姆斯特朗夫人的教母，却对其他家庭成员的情况一问三不知，可以断定她在说谎。
当波洛发现伯爵夫人不善撒谎后，通过简单的询问技巧，他又从她那里问出了玛丽小姐的真实身份，她其实是阿姆斯特朗家的家庭教师。
到这里，波洛确定火车上看似毫不相关的人中，至少有四个人都和阿姆斯特朗一家关系密切，那么剩下的人呢？他们是不是也可能跟这一家人有关？
波洛本着“大胆猜测，小心求证”的原则，根据他们各自的特征，像玩拼图一样把他们都拼进这个家里，然后一一验证。结果你猜怎么着？完全吻合！所有人都与阿姆斯特朗一家有关！
死者的男仆曾是阿姆斯特朗上校的勤务兵，后来在纽约做他的仆人；那个意大利人是他们家的专职司机；瑞典太太是照顾小黛西的护士；公主的女仆其实是他们家的厨娘；美国人哈德曼深爱着小黛西的保姆，而乘务员正是保姆的父亲。
最重要的是，那个语言和表情都极其夸张的哈巴特太太，正是阿姆斯特朗夫人的母亲，她的真实身份是美国著名悲剧演员琳达·阿登，而阿巴思诺特上校与阿姆斯特朗上校则是生死之交。
到这里，所有人的真实身份暴露无遗，但这里还有一个疑问，13个人，为什么刺了12刀呢？只需要一个人杀死罪魁祸首就可以报仇了，他们为什么大张旗鼓浩浩荡荡一起杀过来？这时，阿巴思诺特上校曾无意中提到的英美陪审团制度给了波洛另一个灵感。
原来，这一制度规定，发生刑事案件后，必须由熟悉情况的12名陪审员向法庭控告并证明犯罪事实，据此，波洛推断出最终的真相是：
至少有12个人同时作案，杀死了雷切特，他们既是雷切特的死刑审判者，也是执行者。而伯爵夫人很可能没有亲自动手，由她的丈夫代替，但根据搜查及审问情况来看，那件猩红色的睡衣应该是她自己的。
这样就可以解释所有疑问：
首先，雷切特服用了安眠药，假如凶手在12:37行凶，死者不可能发出叫喊，这声音是故意误导波洛，所以死者应该死于1:15分之后。第二，每个人都有一个看似毫无关系的人来证明自己的清白，但其实他们都与阿姆斯特朗一家有关；第三，嫌疑人描述的小个子男人，应该是凭空捏造的；第四，死者身中十二刀，凶器却只有一把，且和每个刀口都吻合，尤其其中一刀是左手刺的，而伯爵正是个左撇子，所以是12个人同时作案。
而假相正是波洛所听到的一切，是这13个人一起给波洛演的一出戏，也是他们精心策划的剧本：先让波洛和警察以为死者死于00:37，然后凶手00:58分在布罗德下车，车上每个旅客都可以提供一些证词证明这一点，这样警察就不会怀疑火车上任何人，只是人算不如天算，大雪封路，没人可以摆脱嫌疑。
而此时他们已经来不及换剧本，只好故意把事情搞得更乱，留下两条线索作为烟雾弹，一条线索指向了不在场证据最充分的阿巴斯诺特上校，另一条线索指向了根本不可能单独杀人的公主，然后又故意弄出一个穿猩红色睡衣的女人引起波洛的注意，再编造一个不存在的小个子男人，故意把金表砸坏，时针停在1:15，这一切都是为了把波洛搞晕，没想到神探就是神探，一点儿都不含糊。
真相揭露之后，痛失至亲的哈巴特太太当即表示愿意一力承担所有罪责，只希望为其他人脱罪，而布克先生提议，将他们原先编好的故事告诉警察，就此放过这十三个人。波洛与医生都同意了这个提议，故事到此结束。
这个故事中的阿姆斯特朗一家，真实原型是轰动一时的美国“林白小鹰绑架案”。
1932年,美国英雄飞行员林白未满两岁的长子“小鹰”被绑架，当林白终于凑足赎金后,孩子却没了踪迹，直到几个月后才发现尸体。警方在四年后抓到凶手并处以极刑，但案件仍残留了许多疑问，有人说警察抓错了凶手，还有人怀疑这起悲剧是林白自导自演，谜题至今无法破解。此案发生后，阿加莎联想自己坐火车的经历，将两者结合起来创作了这部经典小说。
无论从真实故事还是虚构的小说里，我们都可以看到人性的复杂以及道德与法律的矛盾。有人说，道德是最高的法律，而法律仅仅是最低级的道德。
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