The Black Dahlia er en intens historie, inspirert av det mest berømte mordmysteriet i Californias historie. Tid; En tilfeldig onsdag morgen i 1947. Sted; Utkanten av Hollywood. Sak: Liket av en ung, lovende skuespillerinne ved navn Beth Ann Short er funnet på en avsidesliggende parkeringsplass. Politiet som finner henne får se et grufullt syn; Liket blir funnet partert i to av en slakterkniv. Munnen er skåret opp fra øre til øre i et sykt og motbydelig klovneaktig smil, og det er åpenbare spor av en særdeles grov voldtekt. Politimennene og bestevennene Bucky Bleichert (Josh Hartnett) og Lee Blanchard (Aaron Eckhart) blir satt til å etterforske det makabre drapet. Under etterforskningen tilspisses forholdet mellom Bucky og Lee, på grunn av kvinnen de begge elsker; Kay Lake (Scarlett Johansson). Etter hvert innleder Bleichert et forhold til den gåtefulle Madeleine Linscott (Hilary Swank) som har en ukjent og mystisk forbindelse til mordofferet…