El hallazgo en un solar del cadáver descuartizado y brutalmente mutilado de una mujer joven se convierte en un caso de interés mediático a causa de la gran repercusión que éste recibe por parte de la prensa de Los Ángeles. El médico forense determina que ha sido torturada durante días, mientras conservaba el conocimiento. Un periodista bautiza a la víctima como La Dalia Negra por la manera que solía vestir la víctima. Dos de los muchos polícias asignados a la investigación del caso, Bucky Bleichert y su compañero Lee Blanchard, se tomarán el caso como algo personal, llegando incluso a quedar obsesionados por él.
 | Josh Hartnett | Agente Dwight "Bucky" Bleichert |
 | Scarlett Johansson | Kay Lake |
 | Aaron Eckhart | Sargento Leland "Lee" Blanchard |
 | Hilary Swank | Madeleine Linscott |
 | Mike Starr | Russ Millard |
| Patrick Fischler | Ellis Loew |
| Mia Kirshner | Elizabeth Short |
| John Kavanagh | Emmet Linscott |
 | Fiona Shaw | Ramona Linscott |
| Troy Evans | Jefe T. Green |
| Richard Brake | Bobby DeWitt |
