故事發生於 1940 年代的美國洛杉磯，一名年輕剛崛起的女星伊麗莎白蕭特清晨陳屍於路旁，死前慘遭凌虐與嚴重毆打，被肢解的死狀令人不寒而慄，由於死時伊麗莎白那烏黑長髮呈放射狀散開，像一朵盛開的黑色大理花，所以此案被人們稱之為『黑色大理花謀殺案』。 兩名警探杜威布萊區特（喬許哈奈特 飾）與 李朗布蘭查德（艾倫艾克哈特 飾）被奉命進行調查此案件，他們急於知道伊麗莎白的過去，希望從她身上尋找任何破案的線索，但這樁慘無人道的謀殺案卻超乎想像地離奇，此時，杜威發現女友凱蕾克（史考莉喬涵森 飾）竟與伊麗莎白的死因有所關聯，迷霧般的真相和線索糾結在一起，開始讓杜威分不清真實與虛幻……。