The Black Dahlia racconta una storia di ossessione, amore, corruzione, avidità e depravazione basata sul brutale omicidio di una starlet di Hollywood nel 1947, che colpì e commosse la nazione in quegli anni e resta a tutt’oggi irrisolto. Due poliziotti ex-pugili, Lee Blanchard (Aaron Eckhart) e Bucky Bleichert (Josh Hartnett), sono incaricati di indagare sull’omicidio dell’ambiziosa attricetta Betty Ann Short (Mia Kirshner) detta “The Black Dahlia”—un crimine così orrendo che non ne vennero mai mostrate le immagini al pubblico. Mentre la relazione di Blanchard con Kay (Scarlett Johansson) viene messa in difficoltà dal crscente impegno dell’agente nelle indagini, il suo partner Bleichert finds si scopre attratto sempre più dalla enigmatica Madeleine Linscott (Hilary Swank, due volte premio Oscar), figlia di uno degli uomini più importanti della città—che si scopre avere un oscuro legame con la vittima....