Politimannen Paul Woodrugh (spilt av Taylor Kitsch), som er ansatt i California Highway Patrol, finner et lik i en veigrøft. Det viser seg å være liket av en korrupsjonsmistenkt offentlig tjenestemann som heter Ben Caspere. De to politietterforskerne Raymond Velcoro (spilt av Colin Farrell) og Antigone Bezzerides (spilt av Rachel McAdams) blir satt på saken sammen med Woodrugh. Parallelt starter forbryteren Frank Semyon (spilt av Vince Vaughn) sin egen etterforskning, fordi han hadde satset masse penger på et jernbaneprosjekt som Caspere kontrollerte, og må vinke farvel til de pengene nå som noen har drept Caspere.