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 a feltörekvő színésznő, Betty Ann Short, azaz a Fekete Dália (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-jel (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.