En 1977, en Los Ángeles, un joven llamado Bobby admira una página central de una revista de la estrella del porno Misty Mountains, cuando la propia Misty estrella su coche contra la casa del chico y muere después. El detective privado Holland March (Gosling) es contratado por la tía de Misty, que afirma haberla visto aún con vida. La investigación de March le lleva hasta Amelia Kuttner, una socia de Misty que luego paga al matón Jackson Healy (Crowe) para que ahuyente a March. Healy irrumpe en la casa de March y le rompe el brazo antes de marcharse.

Healy es interrogado por dos matones, "Blueface" -así llamado porque hace estallar un paquete de tinte mientras registra el apartamento de Healy- y Older Guy, sobre Amelia. Healy los ahuyenta con una escopeta y se une a un reticente March para encontrar primero a Amelia.

March y Healy interrogan al grupo de protesta contra la contaminación de Amelia y conocen a Chet, que les lleva a la casa quemada de Dean, el novio de Amelia, que murió en el incendio. Se enteran de que Amelia y Dean estaban trabajando con Misty en una "película experimental" -que combina la pornografía y el periodismo de investigación- llamada ¿Cómo te gusta mi coche, grandote?

Los dos se infiltran en una fiesta en busca del financiero de la película, Sid Shattuck. Healy descubre que la película ha desaparecido, mientras que March, borracho, encuentra a Shattuck muerto y, sin saberlo, se cruza con Amelia. La hija de March, Holly, que se ha colado en la fiesta, consigue impedir que Blueface mate a Amelia. Blueface es golpeado en un atropello y Amelia huye. Healy somete a Older Guy y encuentra a Blueface moribundo, quien le dice a Healy que su jefe ha enviado a un sicario llamado John Boy para que mate a Amelia, a March y a todos los demás testigos. Healy estrangula discretamente a Blueface hasta la muerte. La policía llega al lugar de los hechos y March y Healy son recibidos por la madre de Amelia, Judith Kuttner, una alta funcionaria del Departamento de Justicia, que afirma que Amelia está delirando y cree que Judith la quiere muerta. Judith contrata al dúo para encontrar a su hija.

March y Healy van a un hotel del aeropuerto donde Amelia se reúne con los distribuidores de la película. John Boy ha llegado antes que ellos; son testigos de la matanza de los empresarios y se retiran apresuradamente, sólo para que Amelia aterrice sobre su coche y les dispare, dejándola inconsciente. La llevan a la casa de March, donde revela que su madre está en el bolsillo de los fabricantes de automóviles de Detroit, que pertenecen al cártel. Después de descubrir pruebas de que suprimieron el convertidor catalítico, que regula las emisiones de los gases de escape, Amelia creó la película para exponer su connivencia, y su madre ha hecho matar a todos los relacionados con la película.

March le dice a Tally, la asistente de Judith, que han encontrado a Amelia y que está en casa de March. Tally les dice que Judith ha pedido que le entreguen un maletín con 100.000 dólares a Judith y les informa de que el médico de la familia irá a casa de March para ver cómo está Amelia. Cuando March choca el coche, el maletín se abre y aparecen revistas destrozadas; la entrega era una distracción para dejar a Amelia desprotegida. John Boy llega a la casa de March disfrazado del médico de la familia, ataca a Holly y a su amiga Jessica, y luego se enzarza en un tiroteo con March y Healy antes de evadir a la policía. Amelia huye de la casa, pero es asesinada por John Boy cuando, sin saberlo, le hace señas a su coche.

March y Healy son interrogados por la policía y luego liberados, sin tener pruebas de que Judith esté detrás de los asesinatos. March se da cuenta de que la miope Sra. Glenn no vio a Misty dos días después de su muerte; la Sra. Glenn vio a Misty en una película proyectada contra una pared. En la casa de Misty, descubren un proyector de películas, pero la película ha desaparecido. Se dan cuenta de que Chet es el proyeccionista del Salón del Automóvil de Los Ángeles e intentará proyectar la película en el evento. En el salón del automóvil, Healy y March son interceptados a punta de pistola por Tally, que es distraída por Holly y queda inconsciente. Healy encuentra a Chet, que ha empalmado la película en la presentación del salón del automóvil. La película se proyecta a todo el salón del automóvil, implicando a los ejecutivos del mismo. En la azotea, March lucha con Older Guy, que cae al vacío mientras March aterriza en la piscina. Holly impide que Tally alcance la película. Healy domina a John Boy, pero le perdona la vida ante el ultimátum de Holly, y March asegura la película de los matones enviados por los ejecutivos del sector del automóvil.

Judith es arrestada, pero insiste en que no quería que Amelia fuera asesinada y que era Detroit quien quería a Amelia muerta. Judith contrata a March y a Healy para mantener a Amelia a salvo, y comenta que aunque ella irá a la cárcel, Detroit se ha salido con la suya al intentar suprimir el catalizador. Más tarde, en un bar en Nochebuena, March le muestra a Healy un anuncio de su nueva agencia de detectives llamada "The Nice Guys".