El 1947, a Los Angeles apareix el cadàver esquarterat d'una dona jove en un solar. El metge forense dictamina que, abans de morir, va ser torturada durant dies. Un periodista bateja la víctima com "la dàlia negra" per la seua manera de vestir. Dos policies, Bucky Bleichert i Lee Blanchard, amics i antics boxejadors s'encarreguen del cas. A més, tenen una altra cosa en comú: estan enamorats de la misteriosa Kay Lake, antiga nóvia d'un gàngster.