Filmen følger to detektiver på 1940-tallet i Los Angeles, mens de etterforsker drapet på Elizabeth Short, kjent som Black Dahlia. Som en sidehandling i filmen blir de to detektivene, Bucky Bliechert og Lee Blanchard fanget i et kjærlighetstriangel som involverer Kay Lake. Lee og Bliechert blir betatt av morderen, og litt etter litt konsumeres livene deres mens de forsøker å avdekke et intrikat hendelsesforløp som når ned i dypet av den urbane undergrunnen, forpestet med pornografi, femme fatales, korrupte politimenn og kriminelle.