Los Angeles, any 1947. Després de la troballa, en un solar, del cadàver esquarterat d’una dona jove, el metge forense dictamina que, abans de morir, va ser torturada durant dies. Un periodista bateja la víctima com “La Dalia Negra” per la seva manera de vestir. Dos policies, Bucky Bleichert (Josh Hartnett) i Lee Blanchard (Aaron Eckhart), amics i antics boxejadors, s’encarreguen del cas. Tots dos, a més, tenen una altra cosa en comú: estan enamorats de la misteriosa Kay Lake (Scarlett Johansson), l’antiga al·lota d’un gàngster …