鷲尾とろくろ首は、商店街の福引で一等賞のミステリートレイン特別列車の旅七名様ご招待券を引き当てた。鬼太郎、ネコ娘、砂かけばばあ、子泣きじじい、ねずみ男と、猫に仮装してペット用のカバンに入ったかわうそも、一緒に参加することになった。列車が発車し、旅行気分を満喫する一行。窓の外は霧が深く、どこを走っているのかわからない。展望デッキに鬼太郎を誘うネコ娘だったが、全然ロマンチックな雰囲気になれず、鷲尾とろくろ首のラブラブなカップルぶりに嫉妬する。だが実はこの旅行の裏には何者かが陰謀を企んでいたのだった。

添乗員の案内で、食べ放題、飲み放題と聞いたねずみ男は食堂車へ向かい、そこにいた美女とカクテルを飲み交わす。かわうそは添乗員にジャグジーに連れて行かれた。子泣きじじいは割烹着美人のお酌で幻の名酒をすすめられる。妖気を感じた鬼太郎は、車内を調査に出かけるが、喪服の美人に出会い、お茶をすすめられる。美女と一緒にいる鬼太郎をのぞき見て、またまた嫉妬するネコ娘。一方、いつまでも戻ってこないみんなを心配した砂かけばばあは、スポーツジム施設を探しに行きたいという目玉おやじと一緒に、車内を調べに行くことにした。

恐るべきことに、列車に乗っている乗客はみんな人形になってしまっていた。かわうそ、ねずみ男、子泣きじじい、鬼太郎までもが人形にされているのを発見した砂かけばばあと目玉おやじは、ケーキをやけ食いしようとしていたネコ娘と合流する。案内図で黒く塗りつぶされていた一両目が怪しいと向かった一行に、人形となった乗客がおそいかかってきた。傷つけないように倒すが、今度は鬼太郎たちがおそってきた。必死に逃げて、たどり着いた先頭車両には、吸血鬼ピーとモンローのカップルが待ち受けていた。全てはこの二人の仕業だったのだ。

ネコ娘はモンローと戦い、砂かけばばあは人形となって操られた鬼太郎をくい止めているその隙に、目玉おやじはピーが奪った霊毛ちゃんちゃんこを取り返そうと行動を起こす。取り戻された霊毛ちゃんちゃんこのおかげで鬼太郎は元に戻った。逃げ出したピーとモンローを追って電車の上で対決する。だが、霊毛ちゃんちゃんこの力が無いピーは戦闘ではやたら弱く、すぐに決着が付いてしまった。乗客もみんな元に戻り、電車は帰路についた。散々な目にあった鬼太郎たちだったが、鷲尾とろくろ首だけは、ずっと二人の世界にひたって幸せであった。