Στις 15 Ιανουαρίου 1947, σε μια αλάνα του Λος Αντζελες ανακαλύπτεται το γυμνό και τεμαχισμένο πτώμα μιας όμορφης 23χρονης κοπέλας, της Μπέτυ Σόρτ, με το παρατσούκλι η Μαύρη Ντάλια, από τη συνήθειά της να ντύνεται στα μαύρα. Ο φόνος της προκαλεί ένα από τα μεγαλύτερα ανθρωποκυνηγητά στην ιστορία της Καλιφόρνιας.

Στην έρευνα συμμετέχουν δύο αστυνομικοί πρώην μποξέρ: ο Μπάκυ Μπλάιχερτ και ο Λη Μπλανσάρ, συνάδελφοι, φίλοι, και αντίπαλοι στον έρωτα με την ίδια γυναίκα. Και οι δυο αποκτούν μια εμμονή με την Ντάλια -οδηγημένοι από σκοτεινές ανάγκες να μάθουν το καθετί για τη ζωή της, να συλλάβουν τον διεστραμμένο δολοφόνο της, να κατακτήσουν τη γυναίκα ακόμα και στο θάνατό της. Η αναζήτησή τους θα τους οδηγήσει σ ένα κολασμένο ταξίδι στο μεταπολεμικό Χόλλυγουντ, στην καρδιά της ταραχώδους ζωής του πεθαμένου κοριτσιού, πέρα από τα όρια της δικιάς τους ψυχής -σε μια περιοχή απόλυτης τρέλας.