Los detectives del LAPD Dwight "Bucky" Bleichert y Lee Blanchard son emparejados como compañeros después de participar en un combate de boxeo para aumentar el apoyo público al departamento. Lee presenta a Bucky a su novia Kay Lake, y el trío se vuelve inseparable. Bucky se sorprende cuando Kay le dice que no está durmiendo con Lee, y más tarde intenta seducirlo, pero él se niega. También descubre que Kay ha sido marcada con las iniciales "BD", por Bobby DeWitt, el gánster cuya detención y condena por un gran robo de banco hizo la carrera de Lee.

Poco después, el 15 de enero de 1947, se encuentra el cuerpo desmembrado de Elizabeth Short y es apodada "La Dalia Negra" por la prensa. Ambos detectives se obsesionan con resolver el caso.

Bucky descubre que Elizabeth era una aspirante a actriz que apareció en una película pornográfica y frecuentaba círculos de lesbianas. Va a un club nocturno de lesbianas y conoce a Madeleine Linscott, quien se parece mucho a Elizabeth. Madeleine, proveniente de una familia prominente, le dice a Bucky que estaba 'muy cerca' de Elizabeth, pero le pide que mantenga su nombre fuera de los periódicos a cambio de favores sexuales. Ella lo presenta a sus ricos padres casi inmediatamente.

La obsesión de Lee lo lleva a volverse errático y abusivo hacia Kay. Después de que Lee y Bucky tienen una fuerte discusión sobre un caso anterior, Bucky va a la casa de Lee y Kay para disculparse, solo para enterarse de Kay que Lee estaba respondiendo a un aviso sobre Bobby DeWitt. Bucky encuentra a DeWitt en el atrio de un edificio antes de que sea abatido a tiros por Lee, luego ve a un hombre estrangular a Lee antes de que una segunda figura salga y le corte la garganta a Lee. Lee y el hombre que sostenía la cuerda caen por la barandilla a varios pisos más abajo hasta su muerte.

El dolor de perder a Lee empuja a Bucky y Kay a tener relaciones sexuales. A la mañana siguiente, Bucky encuentra dinero escondido en el baño de Lee y Kay. Kay revela que había sido la novia de DeWitt y que él la maltrataba. Lee rescató a Kay, robó el dinero de DeWitt y puso a DeWitt tras las rejas. Bucky se da cuenta de que Lee estaba allí para matar a DeWitt y se va, furioso, para volver con Madeleine, donde nota una pintura de un payaso sonriente. Kay lo sigue y se horroriza al ver el sorprendente parecido de Madeleine con la Dalia.

Bucky comienza a unir las piezas y recuerda que los accesorios en otra película coincidían con el escenario en la película pornográfica de Elizabeth. Los créditos finales agradecieron a Emmett Linscott, el padre de Madeleine, y Bucky profundiza en una historia que Madeleine contó sobre él usando viejos escenarios de película para construir viviendas baratas y peligrosas. En una casa vacía debajo del letrero de Hollywoodland construida por Emmett, Bucky reconoce el escenario que se usó en la película de Elizabeth. Encuentra evidencia en un granero en la propiedad de que Elizabeth fue asesinada y descuartizada allí, así como un dibujo de un hombre con una sonrisa de Glasgow. El dibujo coincide con la pintura en la casa de Madeleine y la sonrisa grotesca tallada en la cara de Elizabeth.

Bucky confronta a Madeleine y a su padre en su casa y la madre de Madeleine, Ramona, revela que ella mató a Elizabeth. Confiesa que Madeleine no fue engendrada por Emmett sino por su mejor amigo, Georgie. Dice que Georgie se obsesionó mientras miraba a Elizabeth filmar la pornografía. Ramona estaba perturbada por la idea de que George tuviera sexo con alguien que se parecía tanto a su propia hija, y atrajo a Elizabeth a la casa y la mató. Antes de que Bucky pueda decidir qué hacer, Ramona se dispara a sí misma.