La dalia negra teje una historia de obsesiones, amor, corrupción, avaricia y depravación alrededor de la verdadera historia del brutal asesinato de una actriz novata que conmovió a todo Estados Unidos en 1947 y que aún permanece sin resolver. En el filme se retrata a Betty Short en el apogeo de la Los Angeles de la posguerra. Políticos corruptos manipulan a policías que a su vez ayudan a mafiosos para que financien sórdidas producciones de cine que se aprovechan de jóvenes deseosas de encontrar su sitio en este mundo de fantasía.

Entran en escena dos detectives ex boxeadores, Lee Blanchard (Aaron Eckhart) y Dwight “Bucky” Bleichert (Josh Hartnett), que representan la imagen de la policía de Los Angeles de los años cuarenta. El primer caso de asesinato de la pareja empieza con una llamada de su supervisor, el detective Millard (Mike Starr), justo después de un tiroteo, encargándoles la investigación de la muerte de la ambiciosa Betty Short (Mia Kirshner).

Blanchard y Bleichert, al igual que el resto de la población de la ciudad, se ven arrastrados al escabroso mundo de la Dalia Negra. Mientras la creciente preocupación de Blanchard por la investigación pone en peligro su relación con su novia Kay Lake (Scarlett Johansson), su compañero Bleichert se siente atraído por la enigmática Madeleine Linscott (Hilary Swank, dos veces ganadora del Oscar), perteneciente a una de las familias más destacadas de la ciudad, y que por casualidad tiene un vínculo - y parecido - sospechoso con la víctima.

Blanchard se obsesiona con el caso viendo en Betty la oportunidad de redimirse ante las otras mujeres a las que ha fallado en su vida.

Bleichert también empieza a poner en duda sus sentimientos hacia dos mujeres muy distintas: la aparentemente inocente Kay y la seductora Madeleine, cuya trastornada madre – Ramona (Fiona Shaw) – resulta poseer más de una pista sobre el misterioso caso.