Los Angeles, début des années 1970. Le détective privé «Doc» Sportello, consommateur invétéré de drogues plus ou moins dures, est chargé par son ex, Shasta Fay, de retrouver son amant, Mickey Wolfmann, un magnat de immobilier dont elle soupçonne la femme de l'avoir fait interner dans un asile psychiatrique. Sportello doit composer avec Bigfoot, un flic, son ennemi juré, qui mène sa propre enquête sur la disparition de Wolfmann et ne cesse de lui mettre des bâtons dans les roues. Chacun a de bonnes raisons de tirer cette affaire au clair et chacun va se perdre en route et rebondir, cherchant une vérité qui pourrait être celle de se trouver soi-même.