Alors qu'il se trouve bloqué sur une aire de repos de l'Arizona, un représentant de commerce se voit pris en otage par deux braqueurs de banque qui n'hésitent pas à recourir à la cruauté, ou à l'acier froid et tranchant, pour protéger leur magot taché de sang.

Dans les années 1800 en Arizona, l'infâme hors la loi Ben Wade et son gang vicieux de voleurs et meurtriers, ont pris en proie la Southern Railroad. Quand Wade est capturé, Dan Evans, un vétéran de la Guerre de Sécession luttant pour sa survie sur son ranch en proie à la sécheresse, se porte volontaire pour l'escorter au "3:10 pour Yuma", un train qui va transporter le tueur pour son procès.

Entre le Colorado et le Nouveau-Mexique, Fort Yuma est en danger : 800 sudistes se préparent à l'attaquer. Le commandant nordiste Davis décide de faire porter immédiatement un message au Fort mais ses hommes ne connaissent pas la région. Un jeune lieutenant sudiste prisonnier, Gary Hammond, accepte de servir de guide...

Le criminel Ben Wade est capturé dans une petite ville. Cela n’empêche pas son gang de sévir, mais on persuade Dan Evans, un éleveur, de convoyer en secret le dangereux hors-la-loi (et désormais prisonnier), par le train de Yuma pour une prime et l'estime de son fils. Très vite se met en place une guerre des nerfs alors que les deux attendent le train dans un hôtel.