1947년 L.A, 한 무명 여배우의 엽기적인 살인사건이 대도시를 충격에 빠뜨린다. 예리하게 두 동강난 시체는 피 한 방울도 남아있지 않았으며 사체의 입술은 양 귀 쪽으로 찢어져 있었다. 너무나 잔인해 절대 비밀에 붙였던 일명 블랙 달리아 사건은 결국 언론에 의해 대중에 공개되고 사회는 더욱 공포에 휩싸인다. 경찰청 권투경기로 인해 당시 최고 기관인 수사대에 입성하게 된 스타 복싱선수 출신 형사 벅키(조쉬 하트넷)와 리(아론 애크하트)는 블랙 달리아 사건에 긴급 투입된다. 열정적인 두 형사는 처음부터 자신들의 방식대로 사건을 재조사하기 시작하고 뜻밖에도 사건의 실마리가 풀려 나가기 시작한다. 그러던 중 사건에 강한 집착을 보이며 개인적인 수사를 펼치던 리가 의문의 살인을 당하게 되고, 벅키는 리의 죽음을 애도할 겨를도 없이 리의 수사 파일을 비밀리에 조사하게 된다. 엄청난 단서들을 얻은 벅키는 리의 죽음 또한 이 수수께끼 같은 블랙 달리아 사건과 연관이 있음을 알게 되면서 혼란에 빠진다. 그 누구도 믿을 수 없게 된 벅키. 희대의 엽기적인 살인마를 잡기 위해 혼신의 힘을 다하는데.