Nous sommes à Langeac, en Allier, sous Napoléon III. Une ligne de chemin de fer est en construction. Antoine Delorme (Jacques Santi), chaudronnier, décide d'y travailler. Il laisse au village sa fiancée Marie (Claude Marcault). Alexandre (Benoît Brione) lorgne sur Marie. Antoine découvre alors que les bateliers, rouliers, postillons, bourreliers, charrons s'opposent à la construction de la ligne, De retour le dimanche à son village, Antoine est fraîchement accueilli par Marie.
Un ancien colonel d'empire, Vidal, a l'habitude de saboter la ligne de chemin de fer. Antoine demande à se faire engager comme chauffeur de locomotive, et fait la connaissance des mécaniciens Chambon (Armand Mestral) et Carpolino (Dalexy). Antoine sympathise avec un ouvrier, « Le frisé » (Fred Ulysse), qui a une belle cousine, Virginie (Sylvie Bréal), femme de petite vertu. Antoine est confronté au premier sabotage du colonel Vidal. Dans un bar, une jeune femme brune inconnue, qui se révèlera être Annunciata, princesse de Bohême et fille de Vidal (Muriel Baptiste) les espionne et met le feu à la guérite des cheminots. En sabotant une péniche pour se venger, Antoine et Le frisé se mettent hors la loi.
Antoine, poursuivi pour avoir saboté un bateau, est de retour dans son village et retrouve sa fiancée avec laquelle il rompt. Puis il rencontre chez Le frisé Virginie dont il tombe amoureux. Il ne comprend pas, naïf, quelle vie mène en réalité la jeune femme. Antoine commence son apprentissage de la conduite avec Chambon. Les deux hommes se trouvent confrontés à la dureté du chef mécanicien anglais Barnett (Fred Neumann). Des doutes assaillent Antoine sur les activités nocturnes de « garde-malade » de Virginie.
Virginie et Antoine ont une romance. Antoine est arrêté pour le sabotage de la péniche. Virginie s'arrange pour le faire libérer, en faisant intervenir un politicien dont elle est la maîtresse.
Antoine découvre la double vie de Virginie et rompt. Puis Chambon lui confie son premier voyage comme mécanicien aux côtés de Claudius. Ensemble, ils affrontent le colonel Vidal et son aide de camp cosaque, Tiarko, qui prétendaient arrêter leur convoi.
Antoine propose à son supérieur de retrouver Vidal et son ordonnance Tiarko (Frank Estange). Il découvre le repaire de l'ennemi, le château de Rochegude. Il y retrouve Annunciata, qui lui révèle ses origines. Il a une vive discussion avec son père. Antoine propose à la Compagnie du chemin de fer de construire un abri pour les chauffeurs sur les locomotives.Chambon présente sa fille Céline (Marie-Claude Mestral) à Antoine. Ce dernier ne tarde pas à retourner à Rochegude où Annunciata s'entraîne au sabre avec son père. Ce dernier parti, elle donne une leçon d'escrime à notre héros. Les deux jeunes gens réalisent que malgré leurs différences, ils sont tombés amoureux.
Un avocat du chemin de fer tente de convaincre les propriétaires de vendre leurs terres pour la construction de la ligne. Annunciata et Antoine, qui appelle la jeune femme "Princesse", assistent à l'affrontement du colonel avec le représentant de la Compagnie. Ce dernier doit son salut à Antoine qui lui permet de fuir sous le regard passif de la princesse de Bohême. Claudius va se marier, tandis que "Le frisé" (cousin de Virginie) revient travailler au chantier du rail.
Annunciata reproche à Antoine d'avoir aidé l'avocat à fuir. Le cheminot retrouve son frère de lait, l'abbé Chantegrelet (Yan Brian). Pendant ce temps, un berger loue un wagon pour transporter ses brebis. Vidal commet un sabotage en incendiant un tunnel que le train emprunte. Par sa dextérité, Antoine accélère son convoi qui traverse les flammes intact. Antoine baptise sa locomotive Crampton "La princesse". Il a rendez-vous avec la jeune femme qui lui révèle que son père a commis un nouveau sabotage : il a déboulonné les rails du train conduit par Chambon. Antoine sauve ce dernier en stoppant le train après avoir emprunté le cheval de sa belle.
Marie ex fiancée d'Antoine épouse Alexandre. Annunciata est accusée de trahison par son père, mais Antoine vient la sauver d'une correction. Elle s'enfuit avec lui à cheval. Antoine l'installe confortablement dans une petite maison à l'abri des gendarmes et de son fou de père. Ce dernier continue à inciter les populations rurales à se rebeller contre le chemin de fer. L'ingénieur Barnett jure de retrouver Vidal et ses complices.
Accablés, les ouvriers du chantier découvrent que Vidal a saboté leur labeur. "Le frisé", en voulant faire exploser un rocher pour la construction de la ligne, trouve la mort. Barnett oblige Antoine après avoir roulé de nuit à reprendre son train. À bord de son convoi se trouve une femme enceinte qui accouchera durant le trajet. Antoine a l'idée de créer un injecteur d'eau pour la locomotive.
Antoine essaie d'apprivoiser Annunciata qui ne jure que par les cartes de tarot et une cuisine "approximative" : elle prépare des hérissons à son amoureux. Le colonel Vidal, arrêté, est transféré en prison en train, mais c'est compter sans Tiarko le cosaque qui attaque le convoi et arrache son chef aux gendarmes. L'abbé Chantegrelet essaie, pour que la morale soit sauve, de convaincre Vidal de laisser Antoine épouser sa fille. Mais il finit par se battre avec le père d'Annunciata et le cosaque. Encore une scène d'action époustouflante : l'évasion du colonel Vidal. Nous assistons ensuite à de rares scènes de bonheur entre Annunciata et Antoine. Ces scènes sont agrémentées d'humour, le cheminot découvrant avec effarement la cuisine de sa bien aimée (ragoûts de hérisson !). Les résultats ne sont pas plus probants lorsque la gitane s'essaie à préparer des repas plus orthodoxes. À noter la scène du plus haut comique lorsque l'abbé Chantegrelet demande pardon au Seigneur d'avoir mis KO ses agresseurs. Ainsi que celle de Claudius, marié à une mégère, qui l'oblige à faire la lessive et sécher le tout sur le chaudron de la locomotive. Épisode décidément destiné à nous faire sourire : Barnett laisse éclater sa fureur contre les gendarmes et se voit menacé d'outrage à la maréchaussée.
Un bal se prépare. Antoine s'y rend avec Annunciata, mais a promis une danse à Céline Chambon. Annunciata est folle de jalousie. Carpolino (Daxely) et Barnett invitent la gitane qui les rabroue, ce qui provoque une bagarre et l'intervention des gendarmes à la recherche de la fille du saboteur, le colonel Vidal. Céline facilite la fuite d'Annunciata par amour pour Antoine. Nous assistons aux scènes mêlant humour et tendresse entre Muriel Baptiste et Jacques Santi, lorsque Delorme apprend à danser à sa partenaire. Annunciata a son petit caractère et Muriel le restitue à merveille. Pour la première fois, la gitane tutoie son partenaire, on les voit s'embrasser. Muriel Baptiste ne donne cependant là qu'un aperçu de son talent qui excelle dans la tragédie, comme le montrera une scène pourtant anodine au début de l'épisode 23 lorsqu'elle découvre la citadelle de Rochegude déserte. Ici, elle alterne le bonheur (avant le bal), la jalousie, la bouderie (après le bal). L'épisode se concentre sur le bal délaissant pour une fois les attaques de train. Le spectateur assiste à une nouvelle humiliation de Barnett que son supérieur somme de laisser en paix Delorme.
Un ministre vient visiter la ligne. Qui va conduire le train? Chambon ou Delorme? Annunciata voit son (sombre) avenir dans les tarots. Delorme refuse d'y croire. Ce sont les derniers moments du couple. Annunciata ne supportera pas que Céline vienne annoncer à Antoine qu'il est choisi pour conduire le train. Annunciata, jalouse, quitte le mécanicien et va rejoindre son père.
Antoine conduit le train du ministre (Max Desrau) et reconnaît à ses côtés la cousine du "frisé", Virginie (Sylvie Bréal). Amères retrouvailles. S'il reçoit les félicitations du ministre, il découvre en rentrant chez lui que la princesse de Bohême l'a quitté.
Le colonel Vidal vend tous ses biens pour continuer son combat. Antoine cherche en vain Annunciata dans la montagne, à la tour de Rochegude, il crie son désespoir, elle l'entend mais ne répond pas, se cache en pleurant. Antoine confie son chagrin à l'abbé Chantegrelet. Chambon a un chagrin d'un autre ordre : sa locomotive "La Caroline" va être mise au placard et remplacée. L'ingénieur Barnett lui demande... la main de sa fille Céline.
Barnett ne croit pas que la locomotive de Chambon manque de pression et veut la tester. Il décide de faire le parcours avec Carpolino. Vidal et Tiarko sabotent le train et la locomotive laisse les voitures en route (sans que Barnett s'en aperçoive). Barnett est réprimandé par l'ingénieur pour avoir oublié les premières classes et le wagon. Céline, déçue de ne pas avoir été demandée en mariage par celui qu'elle croyait, boude Delorme. Vidal a recueilli un postillon ivrogne et voleur (Gérard Dessalles). Il a aussi acheté une diligence pour concurrencer le train. Le sort remet face-à-face Annunciata et Antoine : elle prétend ne pas le connaître. Elle découvre que le postillon a volé son père. Après la tension de l'épisode précédent, celui-ci multiplie les rebondissements au détriment parfois de la crédibilité. Nous avons une longue scène où le train conduit par Antoine et Claudius tombe en panne, les voyageurs partant dans les champs comme des élèves faisant l'école buissonnière. Cette séquence suit celle où Barnett perd une partie de son convoi en route. Muriel Baptiste sort du registre dramatique où elle excelle. Le texte à défendre est moins convaincant. Les scènes supposées drôles qui voient la déconfiture du "méchant" Barnett/Fred Neumann, ou l'apparition du postillon que Vidal prend on ne sait pourquoi en affection, tombent à plat. On comprend avec cet opus décevant que le succès de "La Princesse du rail" dépend d'une alchimie délicate entre l'interprétation des comédiens et la qualité du scénario. Ici, Henri Spade et Henri Vincenot tirent à la ligne. Notons aussi que dans cet épisode, on prend moins de plaisir aux scènes de train qui habituellement nous coupent le souffle.
Pour compenser la perte de son argent volé, Vidal veut dérober la paie des ouvriers du chemin de fer. L'ingénieur (Yves Brainville) est ravi du projet d'injecteur que lui soumet Delorme. Le postillon voleur se réfugie chez l'abbé Chantegrelet. Annunciata dérobe la sacoche contenant le salaire du chantier et la rend aussitôt à Antoine. À nouveau un épisode qui combine action et romantisme. La scène où Muriel Baptiste entend le train et cesse d'écouter les délires de son père nous montre que la gitane a perdu tout son dynamisme et se meut désormais comme un pantin. Son visage et son regard expriment une douleur intense. L'attaque du chantier par le colonel et le cosaque à cheval (en fait une diversion destinée à permettre à Annunciata de s'introduire dans les bâtiments) assure le côté épique et western de l'épisode. L'équilibre entre les scènes mouvementées et psychologiques est assuré. En multipliant les chevauchées, Henri Spade marque sa volonté de présenter un "far west" auvergnat.
Le colonel Vidal reproche à sa fille sa trahison. Les gendarmes le cherchent. L'abbé Chantegrelet découvre que le postillon a volé Vidal. Antoine restitue à Annunciata l'argent dérobé à son père. La jeune gitane dit au colonel que le postillon n'a rien volé, mais que l'argent était simplement égaré. L'ingénieur apprend à Delorme qu'un inventeur parisien a déposé avant lui le projet d'injecteur. Retrouvailles de Muriel Baptiste et Jacques Santi. Pas d'échange verbal, uniquement un regard. Armand Mestral fait également passer toute l'émotion que lui procure "l'agonie" de sa locomotive vieillissante par l'expression de son visage.
Chambon a roulé toute la nuit puis la journée et rentre chez lui épuisé. Mais Barnett, voulant se venger, lui demande d'assurer à nouveau le service de nuit. Chambon s'endort aux commandes de sa locomotive et avec Carpolino, percute un autre convoi. Chambon, grièvement blessé, en réchappe mais va passer en jugement. Avec l'aide de l'ingénieur Fabre, Delorme fonde une société de secours mutuels.
Chambon et Carpolino sont interrogés par le juge pour s'être endormis aux commandes. Antoine incite ses compagnons à se rebeller face à l'injustice. Le colonel Vidal se réjouit du procès à venir. Claudius se laisse dominer par son épouse Clarisse (Nicole Guéden). Les accusés sont acquittés. L'épisode se termine par une tournée générale dans un café. Malgré son ignominie, Barnett demande à Antoine d'intercéder auprès de Chambon pour qu'il lui accorde la main de sa fille ! Antoine finalement se décide à faire comprendre à Chambon qu'il est lui-même épris de Céline.
Céline et Antoine se rencontrent à l'improviste, et le mécanicien offre à la jeune femme de monter à bord de sa locomotive, "La princesse". L'ingénieur ordonne à Antoine d'aller remorquer un train qui a déraillé sans que Céline (qui s'est cachée) puisse descendre ! Barnett, ivre de "ratafia", les attend à bord du train en panne et découvre la présence du passager clandestin. Une bagarre éclate à bord de la locomotive.
On prépare le mariage de Céline et d'Antoine. Céline et sa mère s'occupent du trousseau. Une collecte est organisée pour le cadeau de noces. Barnett n'est pas invité. Il en fait une maladie. Vidal et Tiarko récupèrent le postillon. Vidal indique à Annunciata qu'elle doit le considérer comme son frère. Magnanime, Antoine invite Barnett à la noce. Le postillon tente de violer Annunciata qui l'assomme. Elle décide de quitter son père pour rejoindre Antoine qu'elle découvre en plein repas de noces !
Choquée d'être arrivée en pleines noces de l'homme qu'elle aime, Annunciata cherche son père dans la citadelle de Rochegude déserte. Elle erre tel un fantôme le long des couloirs, arpente les escaliers. Claudius la rencontre, elle ne semble pas le voir. Barnett fait ses adieux à Delorme et retourne en Angleterre. Antoine se rend auprès de l'abbé, s'inquiétant du sort d'Annunciata sur laquelle l'homme d'église tente de veiller.
Chambon va inaugurer la ligne effectuant la jonction avec le tronçon qui vient de Langogne. Une nouvelle plus importante l'attend chez lui : il va être grand-père ! Clarisse l'annonce malicieusement à Annunciata. Vidal et Tiarko préparent un trajet gratuit en diligence pour concurrencer le train le jour de l'inauguration de la nouvelle ligne.
Le jour de l'inauguration de la ligne est arrivé. Vidal et Tiarko pour prendre de vitesse le train, mettent hors d'état de nuire plusieurs cheminots chargés de faire la signalisation.
Chambon prend sa retraite. Un jeune charron (Bernard Rousselet) demande à devenir mécanicien, comme autrefois Antoine. Vidal avoue sa défaite et remet à Delorme le bijou d'Annunciata. Céline donne le jour à un fils. Nous faisons ensuite un saut dans le temps en 1966 : l'arrière-arrière-petit-fils (et petite-fille) d'Antoine sont là pour accueillir Henri Vincenot, journaliste de "La Vie du rail". Le descendant d'Antoine est conducteur d'une locomotive. Ni lui ni sa sœur ne sont capables d'expliquer pourquoi la "Crampton" de leur aïeul s'appelait "La princesse". Vincenot demande quel est l'origine du bijou que porte au cou la descendante de Céline : elle l'ignore et répond : "C'est un bijou de famille".
