1946年。かつてボクサーとしてならした二人の警官、バッキー（ジョシュ・ハートネット）とリー（アーロン・エッカート）は、ロサンジェルス市警PRのためのボクシング試合で戦った。この試合がきっかけとなって二人はセントラル署特捜課に配属、名物コンビとなり、実生活でも友情を結ぶようになった。リーの同棲相手・ケイ（スカーレット・ヨハンソン）も交えた三人は次第に密接な関係になっていく。そんなある日、身体を腰から切断され、口を耳まで切り裂かれた若い女の惨殺死体が発見された。被害者は女優を夢見てハリウッドにやってきたエリザベス・ショート。マスコミは映画のタイトルをもじって彼女を「ブラック・ダリア」と呼んだ。その事件以来、リーは妄執にとりつかれたかのように事件にのめりこみ、常軌を逸していくのだった。