Los Angeles, 1947. Due poliziotti, Blanchard (Aaron Eckhart) e Bleichert (Josh Hartnett), indagano sulla misteriosa morte di Elizabeth Short, una ex prostituta ora aspirante attrice, nota anche come Dalia Nera. I due poliziotti dopo aver scoperto che il fidanzato della vittima non é del tutto estraneo ai fatti si rendono conto che anche all'interno della polizia c'é qualcuno che non vuole far luce completamente sull'omicidio. Mentre Blanchard è sempre più preoccupato perché il raccapricciante omicidio minaccia la sua relazione con Kay (Scarlett Johansson), il suo partner Bleichert si sente sempre più attratto dalla enigmatica Madeleine Linscott (Hilary Swank), figlia di uno degli uomini più importanti della città, che si rivela stranamente legata alla vittima.