1979年8月26日の『24時間テレビ 「愛は地球を救う」』内で放送された。24時間テレビアニメスペシャルの第2弾。

徹底したスター･システムがとられており、アトムやブラックジャック、サファイアやシャラクといった手塚作品のオールスター・キャストが登場することで話題となった作品である。また舞台である海底の透明感を出すために、通常ポスターカラーで描かれる背景を水彩画で描いた事も特筆すべき事柄である。

手塚治虫のイースター島への旅行から持ち上がった企画であり、当初はマリン・エキスプレスよりも後半のムー帝国での冒険が中心の作品になる筈であった。しかし手塚の手がけた絵コンテは放送時間を大幅に上回る2時間10分の分量となってしまい、後半のシーンを中心に大幅なカットがなされたため、海底列車内でのサスペンスを前面に押し出した内容となった。そうした経緯もあり、手塚は前作の『100万年地球の旅 バンダーブック』ともども本作を劇場用アニメとしてリメイクすることを明言していたが、実現はしていない。

2008年に開催される東京国際映画祭のアニメ部門、animecsTIFFでの上映が予定されている。

2002年、人類最先端の海底超特急「マリンエクスプレス」の開業を前に、招待客を載せて試運転が行われようとしていた。

日本へ向けロサンゼルスを発車した超特急に乗り込んだのは、日米の計画責任者、関係者たち。その中には列車に忍び込んだ殺人犯を追ってきた私立探偵、計画を成功させることに情熱をもった若い運転士、密かにマリンエクスプレスの破壊を計画する関係者、それに試運転を利用し武器の密輸を企む一団などがいた。

様々な思惑を乗せて走る列車は数々のアクシデントに遭遇し、やがては太古の世界のムー帝国とインベーダーとの争いにも巻き込まれて行く。

; 伴俊作（声：富田耕生）:『鉄腕アトム』などに登場のヒゲオヤジ/伴俊作。:私立探偵。殺人事件の犯人を追ってマリンエクスプレスに乗り込む。冒頭からラストまで登場する、本作の狂言回しと言える役柄。; ロック（声：武岡淳一）:『バンパイヤ』などに登場のロック/間久部緑郎。:マリンエクスプレスの設計者ナーゼンコップ博士の養子であり、列車の運転士。父の築いたマリンエクスプレス事業を成功させることに情熱を持っており、列車をめぐる数々のアクシデントに中心人物として立ち向かう。; ブラックジャック（声：野沢那智）:『ブラック・ジャック』などに登場のブラックジャック/間黒男。:劇中での本業は本来の漫画作品と同じ。重傷を負ったヒゲオヤジを助け、その治療費を取りたてようとマリンエクスプレスまでついてくる。列車内ではさる重要人物の命のカギをにぎる事となる。; アダム（声：清水マリ）:『鉄腕アトム』などに登場のアトム。:ナーゼンコップ博士が作りあげた人間ダミーの一つだが、見た目は人間の少年と変わらず、家族のように扱われている。従順で博士の言葉には逆らわない。プロジェクトに関わる、ある特殊な機能を体に埋め込まれている。; ナーゼンコップ（声：勝田久）:『鉄腕アトム』などに登場のお茶の水博士（声も同じ）。:鉄道工学の権威であり、マリンエクスプレスの設計者。ロック、アダムと共にマリンエクスプレスに乗り込む。マウイ族出身のポリネシアンであり、南洋の文化と自然が破壊される海底鉄道計画に加担したことを後悔している。なお「ナーゼンコップ」はドイツ語で「鼻の頭」の意味で、過去に漫画作品『世界を滅ぼす男』で同じようにお茶の水博士を使用したキャラクターに使われている。; クレジット（声：大塚周夫）:『メトロポリス』などに登場のレッド公。:作中では合衆国国務長官。海底鉄道建設を中心となって推し進めた人物で、愛娘のミリーと共に試乗会に参加する。腹の底では人種差別思想を抱えており、ナーゼンコップとは学生時代からライバル関係にある。; ミルドレッド・クレジット（ミリー）（声：小山まみ）:『ドン・ドラキュラ』に登場するドラキュラの娘、チョコラ。本作では親子で出演している。:クレジット長官の一人娘で、父親によく懐いている。車内で同年代のアダムと知り合い、その悲しい運命に心を痛めることになる。; サファイヤ（声：太田淑子）:『リボンの騎士』などに登場のサファイヤ。声優もオリジナルのアニメ版と同じ。:作中ではある国の王女で、ロックに謎のメッセージを送ってくる。; シャラク（声：肝付兼太）:『三つ目がとおる』などに登場の写楽保介。:作中ではサファイヤの国を乗っ取った宇宙人。; レオ:『ジャングル大帝』に登場する大人時代のレオ。:本作ではサファイアの忠実な僕。言葉は喋らないが、シャラクが持ち込んだ超科学によって空を飛べるようになっている。; ドンドラ（声：千葉耕市）:『手塚治虫のドン・ドラキュラ』などに登場のドン・ドラキュラ。:作中では元サファイアの臣下（宰相）であり、シャラクに寝返り手下として働いている。; ランプ（声：内海賢二）:多数の手塚作品に登場する名脇役、アセチレン・ランプ。:クレジットの手下として登場するが、中盤では主人公達と行動を共にする。内海はほかの手塚アニメでもランプ役を演じているが、後にアニメ化された『ドン・ドラキュラ』の主演は、千葉でなく内海となった。; ピノコ（声：冨永みーな）:『ブラック・ジャック』などに登場のピノコ。; 丸首（声：雨森雅司）:多数の手塚作品に登場する脇役。ブーンという名前が与えられていることが多い。:日本の首相として試乗会に参加する。各種の陰謀には加わっておらず、純粋に事件に巻き込まれた形になる。; スカンク（声：矢田耕司）:『鉄腕アトム』など悪役でお馴染みのスカンク草井。:日本の政務次官で、丸首の太鼓持ち。; 佐々木（声：豊田真二）:『フィルムは生きている 』などに登場する佐々木小次郎。:丸首のボディーガード。; 日本人観光客（声：不明）:手塚治虫。ラストのワンシーンにカメオ出演。