คดีฆาตกรรมสะเทือนขวัญปี 1947 ของหญิงสาวคนหนึ่งที่ใฝ่ฝันอยากเป็นนักแสดงในฮอลลีวู้ด เหตุการณ์ครั้งนั้นทำให้ชาวอเมริกันหวาดผวาและกระทั่งบัดนี้ตำรวจก็ยังจับตัวคนร้ายไม่ได้ คู่หูตำรวจอดีตนักมวย ลี แบลนชาร์ด (แอรอน เอ็คฮาร์ท) และ บัคกี้ ไบลเคิร์ท (จอช ฮาร์ทเน็ตต์) ได้รับมอบหมายให้สืบสวนคดีฆาตกรรมสาวนักแสดงที่กำลังไต่เต้าสู่ความโด่งดัง เอลิซาเบธ ชอร์ต (มีอา เคิร์ชเนอร์) หรือที่นักข่าวเรียกกันว่า ดอกรักเร่สีดำ (The Black Dahlia) สภาพศพของเธอสยดสยองมากจนห้ามนักข่าวนำภาพออกเผยแพร่สู่สาธารณชน

ขณะที่แบลนชาร์ดหมกมุ่นกับการสืบคดีจนมีปัญหากับ เคย์ (สการ์เลตต์ โจแฮนสัน) แฟนสาว ไบลเคิร์ท คู่หูของเขาก็ได้พบและหลงใหลหญิงสาวลึกลับชื่อ มาเดอลีน ลินสก็อตต์ (ฮิลลารี่ สแวงค์) ลูกสาวตระกูลดังที่มีส่วนเกี่ยวพันกับเหตุฆาตกรรม