Musta Dahlia on fiktiivinen kertomus pakkomielteestä, rakkaudesta, korruptiosta, ahneudesta ja vajavaisuudesta. Sen taustalla on tositarina Hollywood-tähtösen raa’asta murhasta, joka järkytti ja kiehtoi Amerikkaa vuonna 1947 ja jota ei ole edelleenkään kyetty ratkaisemaan. Poliisit Lee Blanchard (Aaron Eckhart) ja Bucky Bleichert (Josh Hartnett), entisiä nyrkkeilijöitä kumpikin, pannaan tutkimaan Mustana Dahliana tunnetun kunnianhimoisen b-luokan elokuvatähden Betty Ann Shortin (Mia Kirshner) murhaa, joka oli niin raaka, ettei rikospaikalta otettuja kuvia julkistettu lainkaan. Blanchard uppoutuu sensaatiomaisen murhan tutkimuksiin innolla, joka uhkaa jo hänen avioliittoaan Kayn (Scarlett Johansson) kanssa. Bleichert puolestaan ihastuu arvoitukselliseen Madeleine Linscottiin (kaksinkertainen Oscar®-voittaja Hilary Swank), vaikutusvaltaisen perheen tyttäreen, jolla sattuu olemaan arveluttava yhteys uhriin.