La película comienza con un texto en el que se dice que en 1937 el Senado de los Estados Unidos estudió un proyecto de ley contra los linchamientos, pero que no fue aprobado. Billie Holiday saltó a la fama en parte gracias a su canción "Strange Fruit", sobre los linchamientos. En 1957, Billie, acompañada por Freddy, se reúne con un periodista de radio, Reginald Lord Devine, para una entrevista. Éste le pregunta cómo es ser una "mujer de color" y sobre los problemas en los que se mete a causa de "Strange Fruit". Billie dice que se trata de los derechos humanos, algo que el gobierno suele olvidar.

En 1947, Billie da una actuación en la que entre el público se encuentran el soldado Jimmy Fletcher, la actriz Tallulah Bankhead, el marido de Billie, Monroe, y su representante Joe Glaser. Roslyn y Monroe dejan que los fans conozcan a Billie, pero Monroe no deja que Jimmy la conozca. Más tarde, Glaser y Monroe, que se han hecho amigos del agente del FBI Harry J. Anslinger, intentan que Billie elimine "Strange Fruit" de su lista de canciones. Dicen que los altos cargos del gobierno no quieren oírla cantar, y Monroe la amenaza físicamente. Lester Young, el saxofonista de Billie, la apoya para que la toque.

Anslinger dice a otros agentes que Billie es una amenaza, que su canción promueve ideas equivocadas y que no ha dejado de cantarla. Al no poder detenerla por cantar, deciden perseguirla por cargos de drogas. Billie y su amante Joe Guy se drogan juntos. Billie da su siguiente concierto para los militares, y también actúa con Louis Armstrong. Después del concierto, Jimmy va a ver a Billie y la ve drogarse.

En la siguiente actuación de Billie, la gente del público le grita que toque "Strange Fruit". El director le ordena que baje del escenario, la policía carga contra ella y su banda se la lleva. Después, el FBI, incluido Jimmy, que resulta no ser un soldado sino un agente, se presenta en casa de Joe y los detiene por consumo y posesión de drogas. Billie se siente traicionada. En el tribunal, los medios de comunicación avergüenzan a Billie. Anslinger felicita a Jimmy por su detención. El juez condena a Billie a un año de cárcel. Más tarde se revela que Anslinger pagó a Joe.

Freddy le pregunta a Jimmy por qué lo hizo. Jimmy dice que su padre le dijo que las drogas destruirían su comunidad. Freddy le dice a Jimmy que Billie fue violada cuando tenía diez años y que ha estado con hombres abusivos, y que usa las drogas para aliviar su profundo dolor. Anslinger le dice a Jimmy que deben asegurarse de que Billie no vuelva a cantar. Jimmy se pregunta por qué Billie es un problema. Anslinger le dice a Jimmy que vaya a la prisión para mentirle a Billie, disculparse y volver a estar con ella. En cambio, Jimmy le dice a Billie que no confíe en nadie y le advierte que el FBI seguirá intentando tenderle una trampa.

Cuando Billie sale de la cárcel, les dice a Roslyn y a Lester que se mantiene limpia. También se divorcia de Monroe. Billie da un espectáculo en el Carnegie Hall al que asisten Jimmy y Anslinger. Un miembro del público le pide que cante "Strange Fruit", y ella declina con tristeza. La actuación de Billie va bien. Su nuevo representante, Ed, le dice que aún no ha podido recuperar su tarjeta de cabaret, por lo que no puede actuar en clubes. Más tarde, Billie conoce a John Levy, quien le dice que pagará a las personas adecuadas para que ella pueda seguir cantando en sus clubes. John y Billie entablan una relación, y John reduce la paga de Billie por cada actuación.

Tallulah es traída por Anslinger y se niega a ayudarle. Más tarde, Tallulah se lo cuenta a Billie y también que necesita deshacerse de John. Billie llama a Joe y trata de conseguir drogas, pero Joe dice que deben mantenerse limpios. Ella consigue drogas por su cuenta.

En el club, John golpea a Billie por tomar más de su dinero. Roslyn la ayuda a vendarse para que pueda actuar. Billie se mantiene limpia durante un tiempo. John le propone matrimonio y luego le mete drogas en el bolsillo justo a tiempo para que entre el FBI. En el tribunal, Jimmy admite que Billie fue posiblemente incriminada, y es liberada. Anslinger, enfadado con Jimmy, le envía a seguir a Billie en su gira. En 1949, Jimmy acude a ver a Billie tras una exitosa parada de la gira. Le dice que la agencia quiere que piense que ha sido despedido. Todo el equipo sospecha de él. Para que demuestre que está con ellos, hacen que Jimmy se inyecte heroína.

En un viaje de gira, Billie canta "Strange Fruit" en el sur, desafiando al klan local. Anslinger, furioso, llama a Jimmy para preguntarle si Billie se ha drogado en la carretera. Éste le dice que no, pero que otro agente le está siguiendo. Jimmy y Billie se enamoran y acaban teniendo relaciones sexuales. Un día, tras una avería en el autobús, Billie abandona a su banda y a su equipo, diciéndole a Jimmy que tiene que encontrar una buena chica, y que no es ella. Louis McKay llega para llevar a Billie al siguiente concierto. Con el corazón roto, Jimmy vuelve al trabajo, donde Sam Williams le dice que ha sido trasladado a la administración y sustituido por Sam.

Billie se casa con Louis. El matrimonio es abusivo y está lleno de consumo de drogas. La policía los sorprende una vez más consumiendo e intenta enviarlos a la cárcel, pero se libran de la prisión. Anslinger se reúne con Louis y le dice que le ponga heroína a Billie. Jimmy acude a un espectáculo, entra en el backstage y besa a Billie. Louis entra, los dos se pelean y Louis se va. Más tarde, Billie le dice a Jimmy que tiene una insuficiencia hepática. En el hospital, Jimmy se queda con ella. Louis llega al hospital y tiene un altercado con Jimmy. Sam viene a sacar a Jimmy; Anslinger viene a ponerle drogas. Les dice a Billie y a Louis que si ella coopera, no los volverá a ver. Billie le dice que sus nietos cantarán algún día "Strange Fruit".

El texto muestra que el 17 de julio de 1959, Billie murió a los 44 años. Los agentes de narcóticos afirmaron haber encontrado heroína y la arrestaron mientras moría. Anslinger permaneció como comisionado de drogas hasta su retiro a los 70 años y recibió felicitaciones. Jimmy lamentó haber trabajado para Anslinger hasta el día de su muerte. En 1978, "Strange Fruit" entró en el Salón de la Fama de los Grammy, donde fue nombrada Canción del Siglo. En febrero de 2020, el Senado estudió la Ley contra el linchamiento de Emmett Till, que aún no ha sido aprobada.