Nella Hollywood del 1947 due poliziotti ed ex-pugili, Lee Blanchard e Bucky Bleichert, vengono incaricati di indagare sull'omicidio dell'ambiziosa attricetta Betty Ann Short, detta Black Dahlia, un omicidio così efferato che le foto della scena del crimine non vennero mai mostrate al pubblico. Mentre la relazione di Blanchard con Kay viene messa a dura prova dall'impegno dell'agente nelle indagini, il suo compagno Bleichert subisce il fascino della enigmatica Madeleine Linscott, figlia di uno degli uomini più importanti della città, che si scopre avere un oscuro legame con la vittima.