A Fekete Dália egy kitalált történet megszállottságról, szerelemről, korrupcióról, sóvárgástól és romlottságról, egy fiatal hollywoodi sztárjelölt 1947-ben valóban megtörtént brutális gyilkosságát alapul véve. Az eset sokkolta Amerikát és a mai napig megoldatlan maradt. Két ökölvívóból lett rendőr, Lee Blanchard (Aaron Eckhart) és Bucky Bleichert (Josh Hartnett) kap megbízást az ambiciózus, "B" kategóriás színésznő, Betty Ann Short "The Black Dahlia" (Mia Kirshner) meggyilkolásának kivizsgálására. A támadás olyan hátborzongató volt, hogy a bűncselekményről készült képeket visszatartották a nyilvánosság elől.

Mialatt Blanchard figyelmét egyre jobban leköti a szenzációs gyilkosság - ezáltal kockára téve barátnőjével, Kay-el (Scarlett Johansson) való kapcsolatát - addig társa, Bleichert vonzódni kezd a titokzatos Madeleine Linscott (Hilary Swank) iránt, aki a város egyik kiemelkedő családjának a lánya, és meglehetősen kellemetlen kapcsolat fűzte az áldozathoz.

Egy megtörtént bűneset és egy városi legenda találkozik De Palma Fekete Dália című filmjében.