Pour son premier film, Costa-Gavras signe un polar classique mais rondement mené. Une femme est retrouvée morte dans un train, et quelqu'un commence à supprimer les passagers du compartiment, tandis que la police patauge. Le film bénéficie en premier lieu de son étonnante et impressionnante distribution : outre Yves Montand en inspecteur désemparé et Simone Signoret en vedette de théâtre, on y retrouve Pierre Mondy en commissaire inquiet, Jean-Louis Trintignant en amant froid, Charles Denner en suspect cynique à l'accent parisien prononcé, Michel Piccoli en voyageur pervers, et bien d'autres.
Ceux-ci permettent de donner du corps et de la classe à tout un panel de personnages qui sont développés de manière intéressante. Par ailleurs, les dialogues sont jolis, amenant occasionnellement une touche d'humour. Enfin, la réalisation s'avère travaillée, avec des séquences de meurtres au montage et aux plans percutants, une poursuite finale très dynamique, et un noir et blanc bien équilibré. Ainsi, "Compartiment Tueur" est peut-être moins connu que les œuvres politisées du réalisateur, il n'en demeure pas moins un début prometteur pour sa carrière.