Di Los Angeles pada Januari 15, 1947, pegawai LAPD Dwight 'Bucky' Bleichert (Josh Hartnett) dan Lee Blanchard (Aaron Eckhart), menyiasat pembunuhan dan perceraian anggota Elizabeth Short (Mia Kirshner), selepas itu digelar sebagai 'The Black Dahlia' oleh akhbar. Bucky mempelajari bahawa Elizabeth adalah seorang pelakon bercita besar yang muncul dalam filem pornografi. Melalui penyiasatannya, Bucky mempelajari bahawa Elizabeth suka bergaul dengan lesbian. Dia pergi ke kelab malama lesbian dan menjumpai Madeleine Linscott (Hilary Swank), yang kelihatan serupa seperti Elizabeth. Madeleine, yang datang dari keluarga penting, memberitahu Bucky bahawa dia 'sangat rapat' dengan Elizabeth tetapi menyuruhnya untuk menjaga namanya daripada akhbar. Sebagai pertukaran untuk berdiam Diri, dia menjanjikannya nikmat seksual. Menyambung hubungannya dengan Madeleine, Bucky bertemu dengan ibu-bapanya yang kaya, Emmett (John Kavanagh) dan Ramona (Fiona Shaw).

Pasangan Bucky, Lee, juga obses dengan pembunuhan Elizabeth. Keobsesan Lee menyebabkannya menjadi tidak menentu dan kesat terhadap teman wanitanya, Kay Lake (Scarlett Johansson), yang juga salah seorang rakan rapat Bucky. Selepas Lee dan Bucky bertengkar mengenai kes sebelum ini, Bucky pergi kepada Lee dan Kay untuk meminta maaf, hanya untuk mempelajari daripada Kay bahawa Lee bertindak balas kepada sebuah tip tentang banduan yang baru-baru ini dilepaskan, Bobby DeWitt (Richard Brake). Bucky pergi ke lokasi itu dan berbalah dengan DeWitt di atrium bangunan itu. DeWitt ditembak mati oleh Lee yang berdiri di atas tangga seberang atrium. Bucky melihat seorang lelaki menyelinap di belakang Lee, melilitkan tali di sekeliling leher Lee. Lee melawan kembali semasa Bucky yang terkejut melihat daripada atrium dan bayang-bayang kedua melangkah keluar dan mengelar leher Lee. Lee dan lelaki yang memegang tali itu terjatuh ke tingkat bawah dan mati.

Berurusan dengan kesedihan kehilangan Lee menyebabkan Bucky dan Kay ke suatu pertemuan seksual. Pada pagi berikutnya, Bucky menjumpai duit daripada rompakan bank disorok dalam bilik mandi Lee / Kay. Kay mendedahkan bahawa dia telah menjadi teman wanita DeWitt, bahawa DeWitt telah melayannya dengan tidak baik dan bahawa DeWitt telah melakukan rompakan bank; mencuri sejumlah besar wang daripada salah satu kelab malam Benny "Bugsy" Siegel. Lee telah menyelamatkan Kay dan mencuri duit rompakan bank DeWitt. Lee perlu membunuh DeWitt kini telah keluar dari penjara; yang membawa kepada pertemuan yang mengakibatkan kematian Lee. Bucky pergi keluar dan marah dengan Lee dan Kay kerana tindakan dan pembohongan mereka. Dia kembali ke rumah keluarga Madeleine dan menyambung hubungan dengannya. Kay marah apabila dia mengetahui hubungan itu, terutamanya dengan hakikat bahawa Madeleine mempunyai persamaan rupa yang ketara dengan gadis yang sama Lee taksub sebelum dia dibunuh dan meninggalkan tempat kejadian.

Ketika sedang menonton filem lama suatu malam, Bucky perasan bahawa babak dalam bilil tidur sama seperti set filem pornografi Elizabeth. Kredit pada akhir filem termasuk kenyataan "Terima kasih khas kepada Emmett Linscott", bapa Madeleine. Bucky mencari jawapan membawanya ke projek perumahan tidak lengkap yang dimulakan bapa Madeleine di bawah papan tanda Hollywoodland. Di dalam salah satu rumah kosong, Bucky mengenal pasti set yang digunakan untuk pengambaran filem pornografi Elizabeth. Di dalam bangsal luar rumah itu, Bucky menjumpai dimana Elizabeth dibunuh dan badannya disembelih, serta lukisan seorang lelaki dengan Senyuman Glasgow. Lukisan itu menyerupai sebuah lukisan di rumah keluarga Madeleine dan menyerupai senyuman diukir di muka Elizabeth semasa pembunuhannya.

Bucky berhadapan dengan Madeleine dan bapanya di rumah mereka, menuduh mereka membunuh Elizabeth. Ibu Madeleine, Ramona mendedahkan bahawa dia yang membunuh Elizabeth, yang kelihatan sama seperti Madeleine. Dia mendedahkan yang Madeleine tidak diperanakkan oleh Emmett tetapi oleh rakan karibnya, George. Dia seterusnya mendedahkan bahawa George berada di set ketika filem pornografi Elizabeth dibuat, menjadi tergila-tergila kepadanya. Akhir sekali, dia berasa bahawa Elizabeth kelihatan sangat serupa seperti Madeleine, dan terganggu bahawa George akan mengadakan hubungan seks dengan seseorang yang kelihatan seperti anaknya sendiri dan mengambil keputusan untuk membunuh Elizabeth. Setelah menamatkan pengakuannya, Ramona membunuh diri.

Beberapa hari kemudian, mengingati sesuatu yang Lee berkata semasa penyiasatan, Bucky melawat kakak Madeleine, Martha dan bertanya beberapa soalan. Dia mempelajari bahawa Lee tahu tentang hubungan lesbian diantara Madeleine dan Elizabeth dan memeras ugut bapa Madeleine untuk mengekalkan rahsia itu. Bucky menjumpai Madeleine di sebuah motel dan mengaku bahawa dia adalah bayang-bayang yang mengelar leher Lee. Walaupun dia menegaskan bahawa Bucky lebih mahu mengadakan seks dengannya daripada membunuhnya, Bucky memberitahu dia salah dan menembak mati Madeleine. Bucky kemudiannya pergi ke rumah Kay. Kay memberitahunya untuk masuk dan menutup pintu.